一种等轴高温合金锯齿晶界组织和性能的优化方法与流程

本发明属于金属材料，特别涉及一种等轴高温合金锯齿晶界组织和性能的优化方法。

背景技术：

1、镍基高温合金广泛用于燃气轮机、航空发动机等热端装备部件，其高温力学性能决定了部件服役寿命和结构可靠性。晶界作为高温合金薄弱区域，容易发生缩孔、空洞、杂质等缺陷富集，显著削弱材料的服役稳定性。研究表明，通过热处理工艺调控组织，尤其是固溶处理后的冷却速度控制，可形成锯齿晶界。锯齿晶界能有效延长晶界路径、抑制晶界相对滑移并缓解位错应力集中，从而提升合金蠕变力学性能。例如，专利cn116065109a公开了一种难变形镍基高温合金的热处理工艺及锻件，采用缓冷工艺使钉扎晶界获得综合力学性能强化；专利cn111378812a公开了一种提高金属锯齿晶界比例的热处理方法，采用磁场热处理提高锯齿比例，提高合金裂纹扩展阻力。

2、然而，单一的性能提升不足以全面反映锯齿晶界热处理的优化效果，过快的冷却速度导致锯齿晶界占比不足，蠕变寿命提升有限，过慢的冷却速度则会导致尺寸长大，屈服强度下降。因此，锯齿晶界提升蠕变寿命同时还需保持均匀细小的尺寸，足够的锯齿晶界占比和较高的屈服强度，来实现服役条件下的综合性能最优。从这一角度来看，锯齿晶界热处理工艺优化问题本质上是一个多目标优化问题。

3、因此，有必要系统分析工艺参数与组织特征之间的耦合关系，建立准确调控锯齿晶界组织和性能的优化方法，来进一步提升高温合金服役性能。

技术实现思路

1、本发明提出一种等轴高温合金锯齿晶界组织和性能的优化方法，目的是解决当前高温合金锯齿晶界热处理工艺优化方法的缺失，组织和性能映射关系不明确，传统试错法效率低，成本高的问题。

2、为实现本发明的目的，采用的技术方案是：

3、一种等轴高温合金锯齿晶界组织和性能的优化方法，包括如下步骤：

4、步骤s1，选定高温合金热处理工艺参数及取值范围，设计box-benhnken响应面实验表，并对高温合金依次进行固溶处理、控冷、淬火处理和时效热处理；

5、步骤s2，选定高温合金组织和性能作为目标，对热处理后样品进行组织表征和性能测试，建立相应的工艺-组织-性能数据表；

6、步骤s3，以组织和性能作为响应目标，利用最小二乘法构建二次多项式回归模型，选取方差统计分析中p值<0.05有显著意义的拟合项，并利用决定系数r2和修正决定系数adjusted r2评价模型拟合优度，拟合出目标函数；

7、步骤s4，以组织和性能作为优化目标，采用非支配排序遗传算法求解多目标优化模型，获得多目标的帕累托最优解集，逆向筛选出最优工艺-组织-性能组合，最后实验执行验证。

8、其中，步骤s1中，选定高温合金热处理工艺参数包括：固溶温度、冷却速度、冷却终了温度；其中，固溶温度取值范围比的回溶温度高40℃-90℃，冷却速度1℃/min-5℃/min，冷却终了温度比回溶温度低20℃-80℃。

9、优选的，步骤s1中，box-benhnken响应面实验设计方法是：采用三水平三因素的方式设计12次实验，并在中心点重复4次，共16次实验。

10、其中，步骤s2中，高温合金组织和性能目标特征包括锯齿晶界占比、尺寸、屈服强度和蠕变寿命；

11、优选的，步骤s2中，锯齿晶界占比通过sem图像二值化后按长度分数计算；尺寸通过图像分析软件测定并以算术平均表示；屈服强度在室温测定（gb/t 228.1-2021），蠕变寿命按760℃/590mpa恒应力蠕变试验（gb/t 2039-2012）测定。

12、其中，步骤s3中，所构建锯齿晶界组织和性能参数的二次多项式响应面模型，模型公式为：

13、

14、其中，是高温合金组织和性能，表示第i个热处理工艺参数，、、、分别为常数项，一次项回归系数，二次项回归系数，二次项交叉回归系数，为误差项。

15、优选的，步骤s3中，通过最小二乘法拟合数据并进行模型诊断，若拟合模型不满足下列任一条件：①显著性检验 p<0.05；②决定系数r2和修正决定系数adjusted r2≥0.9；则扩大实验设计并重新拟合。

16、进一步优选的，扩大实验设计为增加轴点或中心点。

17、其中，步骤s4中，针对s2中得到的锯齿晶界占比、尺寸、屈服强度和蠕变寿命4个响应目标函数，采用非支配排序遗传算法求解多目标的帕累托最优解集，计算公式为：

18、

19、其中，分别是固溶温度、冷却速度、冷却终了温度，是热处理工艺参数空间，是变量个数，、、、是目标函数，分别是尺寸、锯齿晶界比例、室温屈服强度和760℃/590mpa蠕变寿命。

20、采用上述技术方案，具有如下有益效果：

21、1、本发明提供的等轴高温合金锯齿晶界组织和性能的优化采用热处理方法，经固溶处理、控冷、淬火处理和时效热处理后，760℃/590mpa蠕变寿命由标准热处理的64h提升至77h，提升大于20%，屈服强度保持在864mpa，下降<5%。

22、2、本发明定量评估等轴晶高温合金锯齿晶界热处理工艺和组织性能的关系，可以有效平衡开发与探索，减少实验与时间成本，实现计算模型与实验验证共同优化策略，实现高温合金锯齿晶界最优组织和性能的定向调控。

23、3、与机器学习方法相比，本发明无需要大量数据支持，避免“黑箱模型”，可解释性强，实用于不同牌号的成分及热处理的工艺组织性能的参数优化。

1.一种等轴高温合金锯齿晶界组织和性能的优化方法，其特征在于，步骤包括：

2.根据权利要求1所述的等轴高温合金锯齿晶界组织和性能的优化方法，其特征在于：步骤（1）所述的box-benhnken响应面实验设计方法采用三水平三因素的方式设计12次实验，并在中心点重复4次，共16次实验。

3.根据权利要求1所述的等轴高温合金锯齿晶界组织和性能的优化方法，其特征在于：步骤（2）所述的屈服强度根据gb/t 228.1-2021标准测定。

4.根据权利要求1所述的等轴高温合金锯齿晶界组织和性能的优化方法，其特征在于：步骤（2）所述的蠕变寿命根据gb/t 2039-2012标准测定。

5.根据权利要求1所述的等轴高温合金锯齿晶界组织和性能的优化方法，其特征在于：步骤（3）所述的最小二乘法拟合数据并进行模型诊断，当拟合模型不满足显著性检验p值<0.05，或决定系数r2和修正决定系数adjusted r2≥0.9时，则扩大实验设计并重新拟合。

6.根据权利要求5所述的等轴高温合金锯齿晶界组织和性能的优化方法，其特征在于：所述扩大实验设计为增加轴点或中心点。