四极磁场下大尺寸直拉硅单晶生长三维数值模拟

在大尺寸直拉硅单晶生长过程中,针对水平磁场单方向磁力线分布引起的熔体温度分布非轴对称特征,提出了一种双磁力线结构的磁场——四极磁场。为准确描述非轴对称磁场作用下晶体生长过程,采用三维数值模拟方法,建立了四极磁场下二维/三维混合热场模型的边界条件,并将三维数值模拟结果与水平磁场作以对比。结果表明,四极磁场降低了熔体内部温度的非轴对称性;增加磁感应强度有利于增加熔体自由表面附近温度分布的均匀性,但对固液界面形状调节作用不明显;强磁场环境下,提高晶体旋转速度有利于改变固液界面凹凸程度,改善固液界面形态的非轴对称性。     

水平磁场作用下单晶硅生长的计算机仿真

采用计算机仿真技术研究了水平磁场作用下单晶硅的生长行为。结果表明,晶体旋转速度的增加对固-液界面形状的非对称性起到了一定的改善作用,也使得固-液界面向晶体侧推移。坩埚旋转速度的增加对熔体内温度分布起到改善作用,使得温度分布逐渐呈现出轴向均匀性。     

电磁搅拌对激光熔凝TA15钛合金熔池凝固研究

为了研究电磁搅拌作用对激光熔凝熔池凝固过程的影响,采用有限体积法对施加磁场前后激光单道动态熔凝TA15钛合金过程进行三维磁-热耦合数值模拟。研究了磁场对激光熔池流场、熔凝单道及其周边基材温度分布、固液界面处温度梯度和凝固速度的影响,并采用试验手段对模拟结果进行了验证。模拟结果表明:电磁搅拌作用使激光熔池最大流速增加了约20%,对流加剧促进了熔池热交换作用,使其最高温度下降,固液分界面处温度梯度大幅降低,凝固速度小幅增大,从而有利于熔池顶部组织发生柱状晶-等轴晶转变(CET)。试验结果显示施加磁场后熔凝层顶部有等轴晶组织生成,且随着远离磁场中心,电磁力增大,等轴晶区有扩大趋势。试验结果和模拟结果一致性较好。     

铝电解槽三维稳态磁流体动力学建模

建立了三维、三相铝电解槽磁流体动力学仿真模型,对220kA电解槽电-磁-流场进行了计算。结果表明,熔体在磁场内作相对运动产生的电场改变了长轴方向和短轴方向水平电流密度分布,并进一步影响了垂直电磁力分布;该槽铝液中心最大流速15.0cm/s,平均流速4.6cm/s,界面变形2.0 cm。     

混合稀土对ZM5镁合金表(界)面张力及氧化膜性能的影响

测量了不同RE添加量ZM5镁合金不同温度下的表面张力,建立了界面反应润湿模型;根据氧化膜破裂能量公式对熔体氧化膜性能进行了研究,并对氧化膜的高温失效进行了分析.结果表明:熔体中的RE可向熔体/氧化膜界面集聚,参与氧化反应并提高氧化膜的致密度,有助于形成具有保护作用的氧化膜;同时RE会增加界面反应层的厚度,降低熔体/氧化膜的界面张力,使氧化膜不易破裂,并通过改变固-液界面张力方向来提高氧化膜与金属液间的粘附性.     

稳恒磁场对多晶硅定向凝固晶体生长的影响

采用基于有限元方法的Comsol 4.3a软件,对有、无稳恒磁场作用时多晶硅定向凝固晶体生长过程进行了模拟分析。根据模拟结果,阐明了稳恒磁场对硅熔体的流场、热场以及固液界面形状的影响。数值计算表明:与未添加磁场相比,施加稳恒磁场后,硅熔体的流动区域变小,最大流速从70.793μm/s下降到了60.623μm/s,减少了14.37%,硅熔体上表面的紊波受到了抑制;硅熔体的轴向温差下降了1/3,径向温差增大了1/3;硅熔体的固液界面趋于平坦,有利于多晶硅晶体生长。     

旋转磁场驱使强迫流对Sn-Bi合金微观结构的影响

以Sn-Bi合金为研究对象,分析了旋转磁场对凝固组织的影响.发现旋转磁场能够消除宏观偏析、碎断枝晶和细化凝固组织,加快了熔体流动和固-液界面溶质的扩散速度,使共晶组织的层片间距变小及形成区域差别.同时,随着磁场旋转频率的增大,合金的生长形态经历了从枝晶→等轴晶→球状晶→枝晶的转变.枝晶碎断、生长形态的改变以及共晶组织层片间距变化的主要原因在于,旋转磁场加快了熔体流动,造成熔体中溶质场和温度场在分布上趋于均匀化.同时,电导率的不同造成了初生相与液体的相对运动.宏观偏析的消除是由于初生相同时受到重力、浮力和Lorentz力的合力作用的结果.分析了旋转磁场对凝固组织改变的物理机制.     

熔体过热历史对Ni基高温合金定向凝固界面形态的影响

在控制温度梯度、抽拉速率等工艺参数相同的条件下,首次发现熔体过热历史对Ni基高温合金定向凝固界面形态具有显著影响．随着熔体过热温度的提高和过热时间的延长,液固界面稳定性降低;相反,随着低温静置时间的延长,液固界面稳定性提高．熔体热历史对定向凝固液固界面形态影响的根本原因在于对熔体结构状态的改变,进而影响凝固过程.     

耐热不锈钢真空双频电磁约束成形

研究了真空下耐热不锈钢的双频电磁约束成形过程,建立了真空下电磁约束成形的双感应器-熔体-屏蔽罩耦合系统.结果表明:双频电磁成形中,两感应器间距增至25mm时,预热感应器基本不影响成形感应器中的磁场分布,但能独立调整熔体的温度分布,调节电磁成形系统的有效热力比.屏蔽罩与成形感应器配置合适时,有效地调节成形感应器内磁场分布,使加热区域上移,熔体的下固/液界面升高,达到电磁压力有效作用范围内,有利于过程的耦合;同时也避免对冷却介质过分加热,改善了冷却条件.合理的有效热力比仅是保证成形耦合的必要条件;更充分的条件是,产生最大静压力的液/固界面必须刚好在最大电磁压力的作用点上.最后采用双频电磁约束成形方法获得了表面质量较好的、组织定向的大宽厚比耐热不锈钢板状件.     

包晶反应产物侧向生长速度的研究

针对Fe-C合金包晶反应过程中,γ相沿L/δ界面侧向生长速度的实测值远远大于Bosze和Trivedi[2]模型的计算值的问题,分析了包晶反应过程中固/液界面前沿溶质浓度分布状况,得到了金属熔体中圆柱形固相生长时固/液界面前沿溶质浓度分布表达式.以Jackson[9]提出的熔体中粗糙界面生长速度公式为基础,确定了适合计...     

熔体-结晶相固-液界面能的研究进展

结晶相的凝固特性决定其凝固后的组织和性能,要对结晶相凝固特性与过程进行准确表征与有效控制,就必须知道熔体-结晶相固-液界面能的准确数据。本文结合作者长期以来对熔体-结晶相固-液界面能的研究工作,论述了熔体-结晶相固-液界面能实验测定和理论研究方面的相关进展。通过对不同温度下固-液界面能实验测定结果的分析比较,发现熔体-结晶相的固-液界面能随温度的降低而减小;找出了Spaepen固-液界面能模型与实验测定结果不相符的原因;提出基于固-液界面结构的固-液界面能理论模型及用其确定固-液界面能的方法。结果表明,当前模型对固-液界面能的预测结果不仅与熔点温度下实验值和模拟值相吻合,而且也与过冷温度下实验值和模拟值相吻合。     

磁场作用下硅晶体生长的应用研究现状

针对静态磁场和非静态磁场在硅晶体生长中的应用研究现状,综述了磁场对硅晶体生长过程中熔体流动、固液界面形态、杂质含量及分布的影响,重点对比分析了静态磁场与非静态磁场的特点。总结了该应用当前存在的问题,并对未来的技术发展进行了展望。     

电磁旋流水口在钢圆坯连铸中的作用

机械式旋流水口连铸的工业试验结果表明:弯月面的钢液温度、稳定性以及铸坯的等轴晶率等能得到显著提高。但该工艺难以工业应用。本文作者提出了一种新的旋流连铸工艺,即利用水口外的旋转电磁场对钢液的洛伦兹力,使水口内钢液形成旋转流动。本研究通过磁场和流场的三维数值模拟,分析了电磁旋流装置结构对圆坯连铸过程中浸入式水口及结晶器内钢液速度的大小及分布的影响,并应用低熔点合金进行了实验验证。结果表明:非接触方式的电磁力可以有效地使钢液在浸入式水口内产生旋转流动。在同等条件下,圆形电磁旋流装置时钢液的速度分布最对称,速度值最大;改进马蹄形时的水口内流场分布与圆形的较为接近,比采用马蹄形时的更为对称,且速度值更大。在结晶器内,电磁旋流使钢液的冲击深度变小,上返流增强。这有利于温度的均匀化,提高弯月面的温度,以及促进夹杂物的上浮。考虑工业生产的操作方便问题,改进马蹄形电磁旋流装置比较适合生产实际。电磁旋流实验的结果验证了数值模拟的结果及计算方法的可靠性。     

低压脉冲磁场对铸态IN718高温合金凝固组织细化的影响

研究低压脉冲磁场对IN718高温合金凝固组织细化的影响。结果表明：在低压脉冲磁场作用下可以获得完全细小的等轴晶组织。熔体冷却速度和过热度显著影响低压脉冲磁场的细化效果,降低冷却速度和过热度有利于提高脉冲磁场的细化效果。利用商业有限元软件模拟计算高温合金凝固过程中熔体中的电磁力和流场分布情况以揭示脉冲磁场的细化机制。认为脉冲磁场引起的熔体对流,以及同熔体冷却速度和过热度的合理配合是合金凝固组织细化的主要原因。     

纵向磁场对不同尺寸定向凝固高温合金DZ417G组织的影响

进行了外加纵向静磁场下高温合金DZ417G的定向凝固实验,考察了纵向磁场对不同尺寸试样凝固组织形貌的影响.结果显示,在温度悌度为70℃/cm,抽拉速率为5μm/s时,施加磁场后一次枝晶间距减小,并在试样边缘出现等轴晶组织;随着试样尺寸的增大,在试样边缘和中心的柱状枝晶组织遭到破坏,形成等轴晶组织,且出现"斑状"偏析.这些现象可归结为磁场在固/液界面前沿合金熔体中诱发的热电磁对流(TEMC)所致.     

Cu/Al复合带固-液铸轧热-流耦合数值模拟及界面复合机理

双金属层状复合带固-液铸轧成形是集快速凝固与轧制复合为一体的短流程新工艺,为揭示固相覆层金属带材与基体熔体在双辊铸轧区内的复合机理,以d160 mm×150 mm双辊实验铸轧机为对象,利用Fluent商用软件建立Cu/Al固-液铸轧复合过程二维热-流耦合计算模型,研究铸轧速度、浇注温度、铜带厚度和预热温度对熔池流场、KISS点位置与复合界面温度分布的影响规律。Cu/Al固-液铸轧复合实验结果表明,铸轧区内固-液接触区、固-半固态粘连区、固-固轧制复合区界面结合效果呈现递进式强化规律,显示出温度和轧制压力对界面复合的重要作用,对成形工艺制定具有重要的指导意义。     

惯性摩擦焊接头非对称性分析

应用无线测温系统和热电偶测温技术,试验测定了惯性摩擦焊旋转端和滑移端试件的温度场,探讨了惯性摩擦焊摩擦界面两侧温度分布的非对称性;统计分析了不同焊接条件下惯性摩擦焊试样焊接区域的几何特征及宏观形貌.结果表明,滑移端的温度及升温速率均高于旋转端,滑移端的轴向缩短量、飞边宽度以及热力影响区(TMAZ)宽度均大于旋转端.分析认为惯性摩擦焊摩擦结合界面两侧温度场的非对称性与焊接区域几何特征的非对称性紧密相连.     

基于一维稳态传热的纯金属热型连铸模型化分析——模型描述与参数定义

热型连铸是一种将定向凝固和连续铸造技术结合起来的近净成形(near-net-shape)新技术,在新材料开发与加工中获得了日益广泛的应用.根据热型连铸的基本原理和工艺特点,基于一维稳态传热分析,对纯金属热型连铸过程进行了模型化处理.定义了当量热导率和当量换热系数等模型化的工艺参数,获得了以固液界面为位置坐标原点的铸坯轴向温度分布解析解,可以对铸型温度、拉铸速度、温度梯度、固液界面位置、当量热导.率和当量换热系数之间的关系进行求解.给出了模型的物理数学描述和解析解;以纯锌为例阐述了根据实测温度分布曲线和固液界面位置确定当量热导率和当量换热系数的方法;以纯铜为例计算了固液界面位置、铸型温度和拉铸速度之间的匹配关系,计算结果与实验数据相符.     

有外加相存在时Al-Si合金枝晶微观组织的数值模拟

对有外加SiC颗粒(SiCp)的Al-7.0%Si(质量分数)合金熔体凝固过程中球状颗粒与枝晶间相互作用,以及包含颗粒分布的微观组织形成过程进行了模拟研究.在热、溶质守恒的基础上考虑了溶质再分布、界面曲率以及各向异性的影响,并分别对颗粒、固相、液相以及固/液界面进行处理.建立了单个及多个颗粒与枝晶相互作用的数值模型,预测了单个颗粒与凝固界面之间的吞并/推移现象,并研究了颗粒附近枝晶生长的溶质浓度场、速度场以及界面形状,再现了多颗粒与多枝晶相互作用直至最终偏聚到枝晶间的过程.模拟结果表明:颗粒被推移时颗粒与界面的相互作用是一个非稳态的过程,但是在凝固速率较低的条件下可以按照稳态推移的模式进行处理.模拟得到的颗粒分布及微观组织与实验结果吻合较好.     

电磁无接触成形过程熔体形状的数值模拟及实验研究

应用有限元方法模拟计算了电磁约束成形过程中感应器结构、固／液界面位置、熔体上顶面位置、电流频率及熔体种类对熔体形状的作用规律。结果表明：喇叭形内壁的感应器中熔体可获得侧面基本垂直的理想形状；固／液界面、熔体上顶面位置对熔体形状有明显的影响：电流频率的变化对熔体成形形状的影响很小：在感应器结构、固／液界面及熔体上顶面位置等确定后，合金种类对熔体形状几乎没有影响。同时对电磁成形规律进行了研究，表明实验与模拟计算的结果取得了很好的吻合。用电磁成形方法完成了Al合金、TiAl化合物和Ni基高温合金的无接触成形，制备出了样件，并对组织实现了定向控制。