出炉温度对定向凝固硅锭质量影响的模拟研究

多晶硅是当前太阳能电池的主要材料之一,其定向凝固生产中出炉温度的选择直接影响硅锭质量和能耗。本文运用有限元方法对定向凝固多晶硅锭出炉冷却过程进行了模拟仿真。结果发现:多晶硅锭的最佳出炉温度应在600 K到700 K的温度范围。高于该温度范围,硅锭中的位错密度有微小的增大,硅锭质量下降,最大拉应力的峰值在15 MPa以上,硅锭甚至有开裂风险。低于该温度范围,硅锭中的应力和位错密度在出炉冷却过程中基本保持恒定,降低出炉温度只是增加了时间和能量的浪费。     

多晶硅锭的制备及其形貌组织的研究

研究了采用定向凝固法制备多晶硅锭的凝固速率与表面形貌、晶粒尺寸以及显微组织缺陷的关系。找出了晶锭不出现细晶的临界生长速度 ,并对固液界面形状进行了探讨。多晶硅锭的制备工艺主要包括定向凝固法及浇铸法。采用定向凝固法制备多晶硅锭 ,通过改变降埚速率控制晶体生长速度 ,进而找出晶粒大小与降埚速率的关系 ;同时通过改变石英坩埚、石墨托厚度 ,冷源半径等几何参数来达到控制固 液界面形状的目的。     

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。     

VGF法生长4英寸GaAs单晶固液界面形状和热应力的数值模拟研究

采用专业晶体生长数值模拟软件CrysMas,模拟了垂直梯度凝固法(VGF)生长4英寸GaAs单晶过程中的固液界面形状,发现晶体在生长过程中固液界面形状经历了由凹到凸的变化.数值模拟结果表明熔体中和晶体中的轴向温度梯度之比小于0.4时,固液界面为凸向熔体,与理论推导结果一致.模拟了晶体生长过程中固液界面附近的晶体中的热应力值,发现固液界面为平界面时晶体中的热应力具有最小值.推导计算了VGF GaAs单晶生长过程中固液界面凹(凸)度的临界值,当固液界面凹(凸)度小于该值时,晶体中的热应力低于临界剪切应力.     

锗单晶中位错密度的影响因素

直拉法生长的空间太阳能电池用锗单晶中位错密度的影响因素有:籽晶中位错延伸对晶体中位错密度的影响;温度梯度对位错密度的影响;固液界面形状对位错密度的影响;机械因素对位错密度的影响。通过dash技术排除籽晶中位错的影响;通过调整晶体所处的热场(改变埚位和保温筒高度)、改变熔体中轴向负温度梯度的状况(增加坩埚杆的保温效果和开双加热器)和通过设计出轴向温度梯度为线性温度梯度径向温度梯度较小的热场来减小温度梯度对位错密度的影响;通过调整固液界面形状(改变拉速、埚转和晶转)来改善由于固液界面形状不佳带来的位错增值现象。通过上述措施可以基本消除单晶中位错排、位错堆以及小角晶界,得到低位错密度的单晶。     

水平磁场下18英寸直拉硅单晶生长工艺的三维数值模拟

利用计算机模拟仿真技术对适用于生长18英寸直拉单晶硅的40英寸热场在水平磁场下的生长工艺进行三维模拟仿真计算,重点分析了不同强度水平磁场作用下熔体和晶体中的温度场分布、熔体中流场的变化及其对晶体生长固/液界面形状的影响及其变化规律,并进一步研究了不同水平磁场强度对熔体和晶体中氧杂质含量分布影响。数值模拟计算结果表明:由于外加水平磁场的引入,熔体的流动呈现完全的三维、非对称特点,从而导致熔体内的温度场、氧杂质的分布呈现明显的三维非对称特性;水平磁场强烈影响固/液生长界面下熔体的流动特性,从而显著影响熔体的固/液生长界面形状及氧杂质传输过程。     

高纯铝定向凝固过程中固液界面特性研究

利用自制的高纯铝定向凝固装置,研究了高纯铝定向凝固过程中固液界面的结构特性。结果表明:晶粒的形态决定了晶间的溶质浓度和偏析出的杂质元素向固液界面的排出速度,其径向分布与固-液界面相对应。由杂质元素分布图可以看出,使用电解铝液做提纯原料,在试验的工艺条件下,Ke值与K0值还有较大的差距,提纯效果的进一步提升需要精确设定温度梯度和冷却速率的工艺条件并有效稳定控制凝固过程的参数匹配。     

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。     

强制对流影响下Fe?C合金定向凝固微观组织的相场法研究

定向凝固技术能够获得特定柱状晶结构,对于优化合金轴向力学性能具有非常显著的效果。本文采用耦合流场的相场模型模拟了定向凝固过程中枝晶的生长过程,研究了各向异性系数、界面能对定向凝固枝晶生长的影响以及强制对流作用下枝晶的生长行为。数值求解过程中,选用基于均匀网格的有限差分方法对控制方程进行离散,实现了格子中标记点算法（MAC）和相场离散计算方法的联合求解。处理微观速度场和压力场耦合时,采用MAC算法求解Navier-Stokes方程和压力Poisson方程,采用交错网格法处理复杂的自由界面。结果表明:随着各向异性系数的增大,枝晶尖端生长速度增大,曲率半径减小,枝晶根部溶质浓度逐渐降低;随着界面能的增大,枝晶尖端曲率半径增大,当界面能为最大（0.6 J·m?2）时,凝固呈现平界面的凝固方式向前推进;强迫对流对定向凝固枝晶生长方向影响较大,上游方向定向凝固枝晶粗大且生长速度更快,其现象随流速的增大而愈加明显。      

铌硅基高温合金定向凝固铸造温度场模拟计算

以铌硅基高温合金定向凝固铸造过程为对象，通过实验测试和反求法确定了铌硅基高温合金和型壳的热物性参数，以及凝固过程各界面换热系数等边界条件；利用ProCAST软件对不同抽拉速率下铌硅基高温合金凝固过程温度场进行了模拟。结果表明，随着抽拉速率由5 mm·min?1增加到10 mm·min?1，固/液界面离液态金属锡表面的距离由12.1 mm下降到8.2 mm；平均糊状区宽度逐渐变窄，由11.5 mm减小到10.4 mm。针对抽拉速率为5 mm·min?1的实验结果表明，数值模拟结果与实际定向凝固实验获得的一次枝晶间距差异在6%以内，从一个方面验证了温度场模拟结果的正确性，相关结果可为铌硅基高温合金叶片定向凝固铸造参数的确定提供参考。      

CUSP磁场对直拉硅单晶氧浓度分布影响的数值模拟

利用有限元分析软件对φ300mm直拉硅单晶生长过程进行模拟,分析了保持CUSP磁场对称面与熔体坩埚界面交点处的径向分量不变的情况下,硅单晶中氧浓度分别随CUSP磁场通电线圈距离、通电线圈半径的变化规律.随着通电线圈距离和半径的增大,晶体熔体固液界面氧浓度均逐渐降低.随着通电线圈距离和半径的增大,硅熔体径向磁场强度逐渐增大,对坩埚底部熔体向晶体熔体固液界面处对流的抑制作用加强,固液界面下方熔体轴向流速减小,使得从坩埚底部运输上来的富氧熔体减少,继而固液界面处的氧浓度降低.随着线圈距离和半径的增大,为保持所需磁场强度,施加电流也逐渐增大,从而能耗增大,与增大通电线圈距离相比,增大通电线圈半径所需的电流较大.通过实验,将CUSP磁场对单晶中氧浓度分布影响的数值模拟结果与实际晶体生长进行了对比,实验结果验证了数值模拟的结果.     

VGF法GaAs单晶位错分布的数值模拟和Raman光谱研究

采用数值模拟技术和Raman光谱法对4inch垂直梯度凝固(VGF)法GaAs单晶位错进行了研究。运用数值模拟软件计算了GaAs晶体生长过程中的位错分布,模拟计算与实验结果一致。通过Raman光谱测量,定量计算了晶片表面的残余应力分布。Raman测量结果表明,残余应力与位错密度分布基本一致。在VGF法生长的GaAs单晶中观察到了不完整的位错胞状结构,并利用Raman光谱法对其进行了微区分析。     

粉末注射成形充模过程凝固层形成规律研究

根据连续性、动量和能量守恒方程,以及固/液界面上能量平衡原理,建立了考虑凝固层后的一维流动模型。采用有限差分法,计算了模腔内壁上喂料凝固层厚度与工艺参数的关系,研究结果表明:模具入口附近凝固层厚度开始急剧增加,然后增加速率逐渐减缓;熔体体积流率越大,凝固层厚度越小;适当提高模具温度,可以减小凝固层厚度,有利于充模过程。     

稀土变质铸铁中石墨—奥氏体共晶的生长方式

用Ｂｒｉｄｇｍ ａｎ 定向凝固技术制取了稀土变质共晶铸铁不同石墨形态时的液－固平界面试样。观察结果表明,稀土变质铸铁共晶凝固过程中,石墨相不论形态如何均为领先相;石墨与奥氏体共晶有共生生长和离异生长两种生长方式。在共生生长情况下,奥氏体紧贴石墨片两侧协同生长,形成锯齿状的液－固界面结构;在离异生长情况下,石墨相单独在液相中析出并充分长大,随后被奥氏体包围,液－固界面形态主要取决于奥氏体－液相界面的稳定性。分析表明,稀土在石墨－液相界面的富集是导致石墨－奥氏体共晶离异生长的主要原因。     

钢锭内部的金属流动与宏观偏析

钢锭内部的宏观偏析取决于凝固过程中凝固界面处的溶质分配及固－液两相区中的溶质流动。溶质分配和流体流动受钢锭合金成分、冷却条件及凝固形式等影响。根据钢锭中宏观偏析形成的最新理论，从枝晶间流动、凝固组织、成分、冷却条件等方面，详细论述了钢锭中宏观偏析的控制。     

VGF法GaAs单晶生长中热通量对固液界面形状的影响

采用专业的晶体生长模拟软件CGSim模拟了垂直梯度凝固法(VGF)GaAs单晶生长过程中固液界面形状及其变化;分析了生长过程中界面上不同位置的热通量及其变化,并利用能量守恒关系,分析了热通量对固液界面形状的影响,改进了前人在忽略凝固或熔化相变潜热的基础上推导出的固液界面形状和温度梯度之间的数学关系。结果表明:固液界面上各点热通量的不同导致各点生长速度的不同,从而形成偏离程度各异的固液界面形状。采用霍尔效应测量法检测了GaAs单晶中的载流子浓度分布,分析了固液界面形状对晶片电学均匀性的影响。结果表明:对于分凝系数k_01的溶质,平坦的固液界面,晶片中载流子浓度分布更为均匀;凸形界面,载流子浓度随晶片径向距离的增加而增加;凹形界面,载流子浓度随晶片径向距离的增加而降低;载流子浓度分布的不均匀性随固液界面非平坦性的增加而增加。     

水平法生长无位错掺Si-GaAs单晶

用水平法生长成掺Si的无位错GaAs单晶。位错密度低于500厘米~(-2),电子浓度1-6×10~(13)厘米~(-3)。 水平法生长掺Si-GaAs单晶的主要困难是熔体与石英舟的沾润;其结果有二:(1)引入应力,得不到低位错的晶体;(2)易生孪晶,单晶率很低。 采用三温区法抑制Si与石英的反应,结合新合成工艺可以完善地解决沾润问题。注意选择籽晶的方向,可以减少孪晶的发生率。 克服上述问题后,用籽晶法可以生长成无位错的掺Si-GaAs晶体。     

包晶钢连铸保护渣固渣膜凝固密度演变研究

连铸保护渣固渣膜凝固结构及演变对保护渣控制传热至关重要。选取生产现场应用的高碱度及超高碱度保护渣,使用小尺寸大宽厚比水冷铜探头获取了不同液渣温度及凝固时间下的渣膜,检测了不同条件下获得固渣膜的密度演变规律,并使用密度演变法评价了渣膜凝固生长的稳定性及渣膜凝固析晶规律。固渣膜密度演变结果与渣膜结构对应较好,使用密度法评价得到的固渣膜凝固稳定性与对应保护渣的现场使用状况符合。     

430不锈钢凝固显微组织模拟的3D CAFE模型

在同时考虑传热、流动和溶质扩散基础上建立了预测铁素体不锈钢多元合金凝固组织的3D CAFE模型,揭示了430不锈钢凝固过程中温度、固相率及晶粒形貌的变化规律.模型中采用高斯分布描述形核密度与过冷度的关系,应用KGT模型描述枝晶的生长过程.根据Fe-C-17% Cr平衡相图确定了430不锈钢的凝固路径,在考虑凝固收缩的基础上预测了铸锭的疏松和缩孔分布.组织模拟结果与实际铸锭基本一致,二者的温度变化和组织结构特征也基本吻合.      

超重力冶金:科学原理、实验方法、技术基础、应用设计

超重力显著增大两相间的重力差,可用于加速固?液、液?液、液?气高温黏稠混和体的相分离速度;超重力具有定向性,避免搅拌等技术产生的熔体湍流返混,可用于深度脱除金属液中细小夹杂物;超重力条件下固?液界面张力微不足道,可容易实现微孔渗流;超重力条件下进行结晶凝固,按结晶顺序实现固?液分离,可用于制备梯度材料;超重力加速固?液分离,可细化凝固组织晶粒,但对非共晶熔体也易产生宏观偏析。将超重力技术应用于冶金及材料生产过程中,有望解决高温冶金和材料制备的一些难题,如复杂矿冶金渣有价组分的分离提取、冶炼渣中金属液的分离回收、多金属的熔析结晶分离、复杂矿直接还原铁的渣?金分离;在高端金属材料方面,应用超重力技术,有望解决近零夹物金属材料的精炼除杂难题,提高梯度功能材料、金属?陶瓷复合材料、多孔金属材料、器件材料表面电沉积修饰的制造水平。此外,在材料科学研究方面,超重力凝固可作为一种材料基因组高通量制备方法。