铝合金铸件定向凝固过程的数值模拟

为了研究铝合金定向凝固组织的变化规律，采用有限元软件ProCAST对Al Si Cu合金定向凝固过程进行模拟,分析了不同浇注温度和抽拉速率对铸件定向凝固过程中的温度梯度、固液界面前沿、糊状区宽度、枝晶生长速率和二次枝晶臂间距的影响。结果表明，当浇注温度越高时，温度梯度越大，而固液界面前沿下凹越小，糊状区宽度也越窄，从而越有利于顺序凝固的发生；随着抽拉速率的增大，枝晶生长速率先增大后减小,当抽拉速率为200 μm/s时，最大生长速度达到0.093 mm/s，铸件凝固组织最佳；当抽拉速率大于300或小于200 μm/s时，都会导致枝晶生长速率缓慢，枝晶生长不平稳，二次枝晶臂粗大。对模拟得到较优的工艺参数进行试验验证，可以制备出具有较好力学性能的铸件。     

相场法模拟定向凝固微观组织演化研究进展

定向凝固是一种新型的铸造成型技术,能够很好地呈现出凝固过程中界面形态的演化过程,而相场法在如今微观组织数值模拟领域中是最具有优势的一种研究方法.介绍了相场法数值模拟的基本原理,阐述了国内外学者对二元或多元合金在受流场、溶质间相互作用和各向异性、过冷等因素条件影响下自由枝晶和小晶面枝晶的相场法模拟的研究进展,说明了采用相场法耦合溶质场和计算相图等方法在其他微观组织中的应用,并且指出了相场法在模拟定向凝固微观组织领域中所存在的不足之处以及未来的发展趋势.     

PMO对42CrMoA钢?300 mm圆坯枝晶组织的影响

枝晶形貌是影响铸坯元素分布、缩孔缩松及性能的重要因素，细化枝晶能够有效提高铸坯质量。研究了PMO处理对42CrMoA钢?300 mm连铸圆坯枝晶形貌的影响。研究发现，PMO处理坯的柱状枝晶生长方向发生偏转，枝晶臂间距明显减小，其中一次枝晶臂间距减小率为10%～35%,二次枝晶臂间距减小率为25%～35%。分析认为，PMO造成凝固前沿热流方向及溶质场变化，导致枝晶重新竞争生长，因此一次枝晶生长方向发生改变，且一次枝晶臂间距减小。另外，PMO在铸坯凝固前沿形成感生电流，固液相电导率差异造成枝晶尖端电流聚集，进而导致曲率半径增大，降低了细枝晶的溶解速率，抑制了二次枝晶的熟化过程，因此二次枝晶臂间距减小。研究结果为今后利用PMO改善铸坯枝晶组织提供了指导。     

利用相区场模型模拟凝固过程枝晶的生长--各向异性相区场模型的推导

凝固组织枝晶生长过程的机理和数值模拟一直是材料领域的研究热点。扩散界面模型中的相区场方法近来得到了广泛应用，文章给出了纯物质凝固过程相区场模型的数学推导过程，并结合变分方法将各向异性引入到模型中来。     

连铸钢坯一次枝晶间距及“鼓肚”的影响

 探讨了铸坯中一次枝晶间距的变化规律及其“鼓肚”量对枝晶间距的影响。通过确定凝固速度的表达式,定量计算了连铸过程中一次枝晶间距。结果表明,“鼓肚”的存在,使柱状晶生长初期一次枝晶间距出现增大、减小、再增大的周期性变化趋势,当固液界面向正弦波的波峰处运动的过程中,一次枝晶间距逐渐增大,当固液界面向正弦波的波谷处运动的过程中,一次枝晶间距逐渐减小。“鼓肚”量增加时,一次枝晶间距变化的幅度增大。在凝固的中后期,波峰和波谷处的一次枝晶间距基本相等,表明枝晶进入稳定生长的阶段,此时“鼓肚”对枝晶间距的影响基本可以忽略。计算结果与实验结果基本吻合。     

Fe-C合金凝固枝晶形貌及特性参数的相场模拟

 为了实现对合金凝固过程中枝晶形态的定量表征、揭示凝固前沿溶质分布与过冷度对微观偏析的影响,进而实现对凝固枝晶间液相渗透率的量化研究,采用相场模型探讨了Fe-0.5％C合金凝固过程中的显微组织和特征参数,并引入分形维数和无量纲周长定量分析了枝晶形貌、微观偏析和其糊状区的渗透性。结果表明,分形维数和无量纲周长可用于定量描述枝晶形态的复杂性。当过冷度从20增加到27 K时,分形维数从1.28增加到 1.791,无量纲周长从2.39增加到12.6;随着过冷度的增加,枝晶中心轴和固/液界面的溶质浓度均增加,并且枝晶尖端的扩散层厚度减小,即枝晶之间的偏析率增大。此外,利用分形维数和无量纲周长作为凝固过程中枝晶曲折因子实现了凝固过程枝晶间糊状区渗透率的量化计算。其中,与分形维数相比,利用无量纲周长作为曲折因子估测的渗透率与试验结果更为吻合,其在不同过冷度下数值为1.36×10-15~1.75×10-13 m2。     

DSM11合金定向凝固工艺的研究

研究了定向凝固速度对DSM11合金组织结构和性能的影响.结果表明,在获得柱状晶生长的条件下,随凝固速度提高,枝晶间距细化,合金中的γ'相、碳化物和共晶组织细而均匀;当凝固速度为11mm/min时,出现严重的枝晶分叉和不连续现象.凝固速度变化对合金高温持久性能影响显著.凝固速度为7 mm/min时,合金持久性能最高,对应枝晶间距和共晶含量的低谷,伴随着细小枝晶和均匀的显微组织.     

定向凝固研究易切削钢中硫化物的生成行为

通过定向凝固实验研究了易切削钢中硫化物的生成过程,并建立了枝晶臂间距、硫化物的平均直径与凝固条件之间的关系.实验结果表明:随着温度梯度和拉速的增大,MnS的平均直径减小,数量增多;定向凝固过程中硫化物的完全析出温度大约在固相线温度下100℃左右,MnS形态的改变,主要受其组成元素的活度影响,即MnS形态的改变受其界面自由能的影响;对定向凝固实验中钢的枝晶臂间距、硫化物的平均直径与凝固条件的关系进行了拟合,拟合结果与前人研究结果相吻合.      

多晶硅生长过程固液界面、应力、位错及熔体流动的变化规律

定向凝固（DS）法生产的多晶硅锭是光伏产业最基础、最主要的功能性材料之一，但实际生产中多晶硅复杂的工艺仍需进行优化。采用有限体积法对定向凝固法多晶硅生长过程进行瞬态全局模拟，数值模拟过程中将温度场、应力场和流场进行耦合，以研究多晶硅生长过程中固液界面波动率、硅锭内应力、位错密度以及硅熔体流动的变化规律。结果表明，长晶初期固液界面波动率较大，为29.83%，而长晶中期和末期界面波动率仅为6%和3.434%；且熔体流速也对固液界面影响较大，通过降低靠近固液界面处的熔体流动速度有利于形成平坦的固液界面；在生长过程中硅锭中最大位错密度和最大应力值随长晶时间变化趋势大致相同，控制和优化长晶后期的工艺参数可以有效减少多晶硅生长过程中应力值和位错密度，为多晶硅定向凝固过程预测和控制提供一定的理论支持。     

电流对电渣重熔过程多场耦合行为和凝固参数影响的数值模拟

摘要：利用了FLUENT软件建立了电渣重熔（ESR）过程二维轴对称瞬态模型。使用有限体积法求解耦合的电磁场、动量和能量守恒方程,铸锭的凝固过程由焓 多孔介质模型处理,系统地研究了电流对电渣重熔GH984G凝固过程多场耦合行为和凝固参数的影响规律。模拟结果表明：电流由2.3kA增大为2.5kA,体系中电流密度、磁感应强度、洛伦兹力和焦耳热均增大;进而导致了熔渣流速增大,渣池和金属熔池温度增大,熔池变深;铸锭的一次和二次枝晶间距也相应增大,相对瑞利数增加,黑斑形成趋势也随之增大;计算结果与实验结果吻合较好。     

电流对电渣重熔过程多场耦合行为和凝固参数影响的数值模拟

利用了FLUENT软件建立了电渣重熔(ESR)过程二维轴对称瞬态模型。使用有限体积法求解耦合的电磁场、动量和能量守恒方程,铸锭的凝固过程由焓-多孔介质模型处理,系统地研究了电流对电渣重熔GH984G凝固过程多场耦合行为和凝固参数的影响规律。模拟结果表明:电流由2.3 kA增大为2.5 kA,体系中电流密度、磁感应强度、洛伦兹力和焦耳热均增大;进而导致了熔渣流速增大,渣池和金属熔池温度增大,熔池变深;铸锭的一次和二次枝晶间距也相应增大,相对瑞利数增加,黑斑形成趋势也随之增大;计算结果与实验结果吻合较好。     

交变磁场作用下特种合金的凝固特性

以高温合金(K403)为实验材料,对中、小尺寸特种合金在交变磁场作用下成形过程的凝固特性进行研究,以期加深对凝固组织细化机理的认识,进而实现对凝固组织的优化控制。在研究过程中首先试验、研究了高温合金无接触和软接触电磁成形的凝固特性,探讨了电磁致流、磁化套以及抽拉速度对凝固组织的影响,进而分析了该特种合金电磁成形凝固组织的细化机理。结果表明:使用磁化套可以获得平直、细化的定向枝晶组织;在该文实验条件下,当抽拉速度为9.8mm/min时,一次枝晶间距能减小到80μm;电磁致流导致二次枝晶臂脱落是无接触电磁成形凝固组织细化的主要机理,而枝晶尖端开裂是软接触电磁成形凝固组织细化的主要机理。     

电场对DD3单晶高温合金显微偏析的影响

研究了直流电场对DD3单晶高温合金凝固显微偏析的影响.实验结果表明在定向凝固速度为5μm/s和电流密度为0～20 A/cm2的条件下,随电流密度增大,胞晶或树枝晶间距减小.与不施加电场时相比,电流密度为6A/cm2时,凝固偏析明显减轻;电流密度为20A/cm2时,凝固偏析恶化.DD3单晶高温合金定向凝固过程中,由于电场的加入,引起溶质有效再分配系数的变化,减轻了凝固偏析;胞晶或树枝晶间距减小,也有利于减轻凝固偏析;胞晶间的原子团簇向胞晶侧面集聚,造成凝固偏析增大.上述因素共同作用决定了最终凝固组织的偏析.     

Ce对Al-2%Cu合金结晶形貌及一次枝晶间距的影响

采用定向凝固的方法研究了Ce对Al—2%Cu合金结晶形貌及一次枝晶间距的影响,结果表明,Ce增加了合金胞状生长的不稳定性;在Ce含量较小的情况下一次枝晶间距减小,在0.1～0.2%Ce范围内达到最小值,大于此范围时,一次枝晶间距反而增大。作者认为等价浓度C_(m n)是Ce影响界面稳定性及一次枝晶间距的主要因素。     

板坯连铸凝固过程微观组织参数的模拟研究

通过数学模型研究了在不同的凝固条件下中碳钢和300系列奥氏体不锈钢在凝固过程中的微观组织参数的变化关系,对枝晶生长速率、枝晶半径、二次枝晶臂间距、枝晶尖端温度、温度梯度等参数随坯壳生长的变化以及不同参数的改变对上述微观参数的影响进行了研究,并对两种钢种的微观组织参数进行了比较。结果表明由于不锈钢所具有的特殊组分和凝固特性使得其微观参数均比碳钢小,符合枝晶生长规律。     

定向凝固NdFeB永磁合金中包晶相的取向生长研究

选取NdFeB稀土永磁合金作为研究对象,采用Bridgman定向凝固工艺,将Bitter粉纹磁畴图像与X射线衍射分析方法相结合,系统研究定向凝固过程中金属间化合物包晶相Nd2Fe14B(T1相)的生长形态及取向变化规律。研究表明:定向凝固过程中包晶T1相的形态及择优生长方向与合金成分及凝固速率有关。凝固速率较低时(小于10μm·s-1),包晶T1相以典型的小平面方式生长,表现出强的晶体学特性。随着凝固速率增大,T1相晶粒逐渐细化,T1相生长界面出现粗糙化趋势;Nd11.76Fe82.36B5.88合金在1μm·s-1凝固速率下,T1相的易磁化轴[001]方向几乎沿热流方向,这与T1相沿a轴[100]方向择优生长的传统解释有很大不同;Nd13.5Fe79.75B6.75合金中T1相的轴向择优取向随凝固速率的增加逐渐偏离c轴而转向a轴,其原因可能是凝固速率的增加引起T1相沿[100]和[001]方向的生长驱动力即生长速率的改变。     

稀土La在Al-Si共晶合金中的偏聚及其与合金细化变质的关系

本文通过定向凝固和液-固界面的微区成份分析及电镜组织观察,研究了La在Al-Si共晶合金中的分布规律和共晶两相生长特点与合金细化变质的关系。试验表明,La在液-固界面前沿明显富集,共晶生长形态发生变化,α-Al领先相树枝晶发展,共晶枝晶和α-Al枝晶均有颈缩和熔断现象。     

CAFE模型机理研究及应用

 摘 要：研究和分析了CAFE法模拟凝固过程微观组织的物理本质、数值计算方法。在CAFE模型中,形核密度用高斯分布来描述;枝晶尖端生长动力学用KGT模型进行计算;枝晶生长的择优取向是<100>方向,并可实现枝晶生长的竞争机制;FE与CA的耦合是通过FE节点和CA元胞之间的插值实现的。应用CAFE法模拟了易切削钢9SMn28的三维微观凝固组织,模拟结果与实验吻合较好。对易切削钢9SMn28进行了成分优化,并对优化结果进行了模拟,有效的改善了9SMn28的凝固组织。     

定向凝固Fe-Mn-C-Al系TWIP钢枝晶生长行为的研究

采用定向凝固技术结合光学显微镜对Fe-Mn-C-Al系TWIP钢的枝晶生长行为进行了研究,通过建立不同的数学模型对生长速率为25μm/s、50μm/s、100μm/s定向凝固TWIP钢试样中的一次和二次枝晶臂间距进行了预测,并与实验结果进行了比较,结果发现,在实验速度范围内,实验用钢的凝固组织都为枝晶组织,并且随着抽拉速度的增加,枝晶被明显细化。3种一次枝晶臂间距模型的计算值与实验值的综合误差率分别是22.45%、35.64%、78.49%,其中Hunt模型预测效果最好。3种二次枝晶臂间距模型的计算值与实验值的综合误差率分别是8.27%、19.70%、41.94%,其中Masana Imagumbai模型可以准确的预测SDAS值。     

Fe-6.5％Si高硅钢凝固过程铁素体相生长行为原位观察

采用共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)原位观察Fe-6.5%Si高硅钢凝固过程中铁素体(δ)相生长行为,揭示了不同冷却速率对高硅钢δ相生长行为和形貌的影响。结果表明,在一定的过冷度下发生L→δ转变,δ相枝晶生长过程中会发生合并现象;随着凝固时间增加,枝晶尖端的粗化速率逐渐降低,L→δ相变开始和结束点延后;通过数据拟合得到二次枝晶臂间距(d)和冷却速度(R)关系:d=53.4R-0.23。