磁场作用下镍基高温合金定向凝固的研究进展

磁场控制定向凝固为制备高质量合金及铸件提供了新的途径,对提高产品冶金质量、发展新的制备工艺具有重要意义.概述了近年来磁场作用下镍基高温合金定向凝固的主要研究进展,介绍了磁场与金属导电熔体间的几种典型效应,系统总结了静磁场、交变磁场、脉冲磁场和行波磁场作用下镍基高温合金定向凝固组织的演变规律,磁场对杂晶等典型凝固缺陷的影响以及磁场对高温合金蠕变性能的影响,探讨了不同类型磁场作用下凝固组织和缺陷的形成机制.最后,对高温合金磁场定向凝固技术的发展趋势和突破点进行了展望.     

脉冲磁处理金刚石结块的实验及磁场数值模拟

采用热压烧结方法制备金刚石结块,对金刚石结块进行脉冲磁处理。分别对经脉冲磁处理和未经磁处理的金刚石结块进行冲击韧性实验,检测经脉冲磁处理和未经磁处理的金刚石结块的冲击功,观察金刚石结块在冲击实验后的断口显微组织。对脉冲磁处理的磁场进行瞬态磁场数值模拟。实验结果表明,经脉冲磁处理后的金刚石结块冲击韧性平均提高35.4%,断口晶粒间隙明显减小。数值模拟结果说明,金刚石结块侧边缘磁场强度较大,磁场应力集中,周期变化的磁场应力会引发磁致振荡效应。实验和数值模拟结果表明,脉冲磁处理可以改善金刚石结块性能。     

钢锭凝固与偏析形成的多元合金连续介质模型

建立了多元合金凝固传输现象与偏析形成的连续介质模型,在微机上应用提出的数值求解方法及编制的模拟计算软件,对一大型定向碳素钢锭凝固过程中的传热、传质与液相流动过程及宏观偏析的形成进行了高效率的数值模拟。计算结果证明了利用定向钢锭的凝固工艺,可使凝固钢锭的大部分区域（大于铸锭高度的90％）中的杂质元素质量分数及偏析减小,从而达到提高钢锭质量的目的。     

大高径比K417镍基高温合金锭二次缩孔缺陷的数值模拟

利用ProCAST有限元分析软件对大高径比K417镍基高温合金铸锭充型及凝固过程进行数值模拟,模拟研究了合金锭在凝固过程中其二次缩孔缺陷形成位置、数量和成因,及浇注温度和浇注速度对二次缩孔缺陷的影响,并进行了试验验证。结果表明:数值模拟得到的合金缩孔缺陷分布与实际生产的合金锭缺陷分布趋势一致,证明了数值模拟结果的准确性。提高浇注温度、降低浇注速度能在一定程度上抑制合金锭二次缩孔缺陷的形成,但无法完全消除缺陷,在1 530℃、浇注速度1.40 kg·s^-1条件下,合金锭的缩孔缺陷最少。     

改进的θ映射模型模拟DZ125材料的蠕变行为

针对某型燃气轮机定向凝固材料涡轮转子叶片蠕变计算分析的需要,提出了改进的θ映射模型用于模拟定向凝固镍基高温合金DZ125材料的纵向蠕变行为,采用Levenberg-Marquardt优化算法,提取了相应的蠕变材料参数,并将自行编制的Umat子程序嵌入Abaqus有限元软件,对DZ125材料的蠕变行为进行模拟,计算结果与实验数据较好地吻合,验证了改进的θ映射模型的正确性。     

Al-Fe二元合金共晶组织的数值模拟

在考虑温度梯度对共晶生长的影响并假设固液界面为曲面的基础上,建立了与时间相关的层片共晶生长的自调整模型,采用有限差分法进行了数值求解。对含2％Fe的共晶Al—Al3Fe组织的平均层片间距进行了数值模拟,计算出了固液界面前沿的浓度场分布。采用定向凝固试验验证了模拟结果的正确性。     

磁场强度对Al-5%Mn合金凝固组织的影响

在不同强度的磁场下进行了Al-5%Mn合金的凝固试验,利用光学显微镜和X射线衍射仪分别对合金凝固后的显微组织和物相进行了分析,研究了磁场强度对凝固析出相Al6Mn的影响.结果表明:未施加磁场时,析出相Al6Mn为枝晶状和条状,均匀地分布在基体组织中;施加强磁场后,析出相Al6Mn发生聚集和长大,并沿磁场方向形成取向,且随着磁场强度的增加,晶粒尺寸不断增大,取向程度不断增强.     

超磁致伸缩泵驱动磁路建模及数值分析

提出了一种面向固液混合作动器的新型超磁致伸缩泵结构。对超磁致伸缩泵驱动磁路进行了数学建模,采用有限元法对其磁场分布进行了数值模拟,并与理论计算结果进行对比,发现超磁致伸缩棒上磁感应强度的理论计算值与仿真结果基本吻合。采用磁场有限元法分析了超磁致伸缩棒的轴向磁场与径向磁场均匀性,发现径向磁场均匀性明显高于轴向;针对不同长度的棒进行了轴向磁场均匀性分析,揭示了其影响与作用规律;在此基础上对驱动磁场进行了动态数值模拟,发现在输入电压恒定时超磁致伸缩棒内的磁感应强度随着输入信号频率的提高而衰减,实验与仿真结果的对比验证了仿真的正确性。     

强磁场对Sn-4Cu合金凝固过程中Cu6Sn5相的影响

为了研究强磁场对Sn-4Cu合金凝固过程中Cu6Sn5相的影响,对有无强磁场情况下合金的凝固组织进行了对比,通过X射线衍射对晶粒取向进行了分析.结果表明:在磁场作用下的凝固过程中,Cu6Sn5晶体长度增加,有沿磁场方向排列取向的趋势;试样上、底部的Cu6Sn5相形貌存在很大的差异,铜元素的分布变化显著,反映了强磁场对热对流的抑制作用;强磁场对Sn-4Cu合金中各相的影响以及对Cu6Sn5晶体取向的影响比较小.     

功率超声与挤压铸造耦合工艺对Al-5.0Cu合金凝固组织影响的数值模拟与试验研究

采用挤压铸造和功率超声耦合的方式处理Al-5.0Cu合金熔体,利用光学显微镜观察不同工艺参数下的Al-5.0Cu合金的微观组织。使用反分析法计算出耦合作用下铸件-模具的界面换热系数曲线,在此基础上结合CAFE宏-微观耦合模型模拟出不同工艺下Al-5.0Cu合金的凝固组织,并与宏观腐蚀结果进行对比,试验同时测量了熔体内部不同位置的温度变化。通过数值模拟和试验验证相结合的方式,对比研究了不同工艺对Al-5.0Cu合金凝固组织的影响。模拟和试验结果均表明,功率超声和挤压铸造的耦合作用较于单一外场作用能进一步改善合金的凝固组织,同时可以完全消除铸造缺陷;耦合作用还可以使得熔体内部温度分布更加均匀,显著细化Al-5.0Cu合金的初生晶粒,有利于得到均匀、细小微观组织。该结果为细化Al-5.0Cu合金的组织,提高合金的力学性能提供了新的思路。     

软接触电磁连铸铝制结晶器的改进

通过增加硅钢片改造了电磁连铸铝制结晶器,测定了改造后结晶器内的磁场分布;应用改造后的结晶器进行软接触电磁连铸制备了7050铝合金锭,研究了铸锭的凝固组织及溶质分布情况.结果表明:改造后的结晶器内磁场显著增强,结晶器内磁感应强度在同一高度上角部的最大,短边中心的次之,长边中心的较短边中心的稍弱,平面中心的最小,各点的磁感...     

基于ProCAST的汽车缸套离心铸造数值模拟研究

建立了汽车缸套离心铸造凝固过程数值分析的数学及物理模型,阐述了离心铸造凝固的数值模拟方法,求解得到了汽车缸套离心铸造过程中的温度场、液固相分布及缩孔缩松状况。总结了汽车缸套的一般凝固规律,为汽车缸套的铸造工艺优化设计提供了数值依据。     

勾形磁场的优化设计与实现

本文采用有限元法对8英寸单晶炉（16寸坩埚）勾形磁场的磁场分布和磁场强度,以及影响磁场强度的线圈匝数、导线面积、线圈间距等因素进行了模拟分析和优化,并依据模拟结果得到磁场结构的优化设计参数。最后通过实验对磁场的设计参数进行了验证,结果表明：磁场分布和磁场强度模拟结果与实际测试结果可较好吻合;磁场的关键参数满足晶体生长的磁场要求;模拟方法是正确的、符合实际的。此方法为磁场设计提供了一种可靠的模拟新方法和经验数据。     

感应式磁声成像脉冲磁场的测量方法

阐述了利用电磁感应法测量脉冲磁场的磁感应强度,首先测量放置在标准的已知正弦波磁场里的探测线圈的线圈常数,再用这种已知线圈常数的探测线圈进行脉冲磁场的测量。介绍了微型磁场探测线圈的绕制和固定方法,设计了脉冲磁场的实际测量装置,给出了线圈平面的调整方法,利用该装置实际测量了感应式磁声成像系统中的脉冲磁场,并对测量结果进行了误差分析。     

铸铁件铸造缺陷的有限元分析

采用有限元法建立了铸件凝固过程的数学模型，考虑材料随温度变化的非线性因素和相变中结晶潜热问题，对铸造凝固过程进行了数值模拟，得到了铸件在凝固过程的瞬态温度场、温度梯度场的分布和变化规律。预测出了铸件可能出现缩孔、缩松等铸造缺陷的位置，结果表明模拟预测与生产验证结果基本一致。     

阀用超磁致伸缩致动器偏置磁场分布结构设计

在液压阀工作空间环境限制的条件下,设计了一种体积精小、结构紧凑的阀用超磁致伸缩致动器。针对该种致动器内部偏置磁场强度均匀性较差的问题,利用有限元仿真方法对其偏置磁场分布结构进行了分析及设计,通过引入磁场不均匀度及平均磁场强度两性能指标对偏置磁场分布结构进行区别,同时结合实际情况,确定了最佳偏磁分布结构为超磁致伸缩棒段数n=3时;制作了阀用超磁致伸缩致动器试验样机,并对样机磁场强度进行了测试。实验结果表明,超磁致伸缩棒表面的磁场分布与仿真结果具有相同的变化趋势,其磁场不均匀度约为22.7%,说明所设计偏置磁场结构是合理的,该研究对于液压阀件的设计具有一定意义。     

A pulse-periodic gyroresonant plasma accelerator

A plasma electron accelerator based on the gyromagnetic autoresonance effect is described. Electrons of the initially cold internal-injection plasma (a classical ECR discharge) are accelerated in the magnetic field of a magnetic mirror trap under a one-stage effect of the resonant microwave field and an additional pulsed magnetic field. The synchronism in maintaining the resonance conditions is ensured by a smooth increase in the pulsed magnetic field in the course of a microwave pulse. At the moderate values of the input microwave power (up to 2.5 kW) and the steady-state and pulsed magnetic fields (each up to 1 kG), it is possible to obtain stable relativistic plasma bunches, in which the energy of the electron components is a few hundred keV. The measured X-ray bremsstrahlung spectra have features characteristic of the energy distribution of photons, and the high-energy tails are recorded in the region of 600–800 keV. The dependences of the bremsstrahlung characteristics on the experimental conditions—the value of the steady-state magnetic field and the amplitude of the pulsed magnetic field—are investigated. The experimental data are in good agreement in the quantitative sense with the results of the computer simulation and with the earlier studies.