热型连铸Cu-10Al合金温度场及晶粒结构的数值模拟

在三维造型软件Pro/E中建立热型连铸模型,利用ProCAST软件对热型连铸过程中的温度场和晶粒结构进行了模拟计算.结果表明,采用稳态算法能够有效地预测连铸过程中温度场的变化和固液界面的形貌;采用CAFE模块能够准确地再现连铸过程中等轴晶到柱状晶的转变以及柱状晶区晶粒的竞争生长过程.     

热型连铸CuAlBe柱状晶的各向异性

热型连铸CuAlBe形状记忆合金管接头具有柱状晶组织。为了研究管接头扩径时垂直于柱状晶生长方向的力学性能与组织的各向异性,用热型连铸板状试样模拟了管接头,原位观察和测量了板状试样横向拉伸时10个晶粒的变形。发现各个晶粒的拉伸卸载曲线可分为形状记忆型和超弹性型。不同形状记忆型曲线表明,应力诱发β'和γ'相变。拉伸曲线的多样性表明,柱状晶组织横向拉伸时为马氏体形成和稳定化各向异性、弹性各向异性以及相变滞后各向异性。这些各向异性强烈影响管接头的扩径率及相变滞后。     

连铸速度对CuAlNi记忆合金晶粒长大及弯曲疲劳的影响

以4种速度连铸了柱状晶组织的CuAlNi记忆合金丝并热处理，检验其晶粒长大及弯曲疲劳性能。连铸速度大于240mm／min，72相的析出被抑制；速度达480mm／min时由于凝固前沿液相受到激冷而形成等轴晶。360mm／min为柱状晶加热长大的临界连铸速度。超过此速度，加热时晶粒将急剧长大。临界连铸速度以下提高连铸速度可细化晶粒，经热处理消除内应力后，弯曲疲劳断裂次数可大幅提高。     

纯铜热型连铸过程三维微观组织模拟

采用宏观温度场模拟与微观组织模拟相耦合的方法，建立了宏微观统一的模型[直接差分（Direct Difference）-元胞自动控制（Cellular Automaton）模型，即CA-DD模型]，模拟研究了纯铜热型连铸凝固过程各工艺参数对固．液界面位置和晶粒淘汰的影响。结果表明：随着连铸速度的增大，固-液界面逐渐向型口外侧移动，晶粒淘汰趋势逐渐减弱。铸型温度对晶粒淘汰有一定的影响。模拟结果与试验结果符合较好。     

镍基合金TIG焊接熔池及热影响区组织模拟

基于枝晶生长动力学和晶粒长大理论，采用元胞自动机法(CA)建立了焊接熔池及热影响区的微观组织演变模型. 通过有限元模型计算了TIG焊接过程的温度场分布，并利用插值算法将热循环曲线应用于CA模型，计算了镍基合金TIG焊接熔池凝固过程枝晶生长及热影响区的晶粒长大. 结果表明，焊缝边缘的晶核主要以柱状晶的形式向焊缝中心生长，其最终形貌取决于半熔化母材晶粒上的联生结晶及不同取向枝晶间的竞争生长，焊缝中心为等轴晶组织. 焊接热影响区的晶粒长大使得熔池凝固形成的柱状晶组织粗大. 模拟结果与试验结果吻合较好.     

柱状晶Cu-Al-Be形状记忆合金横向压缩的性能研究

用热型连铸法制备直径6 mm的柱状晶Cu-Al-Be合金棒,从中制取2 mm×2 mm×4 mm的矩形试样。采用循环加载压缩实验,研究热型连铸柱状晶Cu-Al-Be合金棒横向(垂直于定向凝固方向)压缩的力学性能。结果表明:压缩前试样平均晶粒尺寸约为1 mm,晶界的取向差分布不均匀,压缩后可恢复超弹性应变为1%,应变超过1%后即产生残余变形。卸载后,经过约10 min,试样基本能完全恢复,说明试样发生应变回复滞后。     

1Cr18Ni9Ti不锈钢焊接熔池的组织模拟

运用晶界演化Grain boundary evolution模型,利用PHOENICS软件计算在不同焊接参数下1Cr18Ni9Ti不锈钢TIG焊接温度场,采用VB语言编制程序模拟了焊缝中柱状晶的生长。结果表明,熔池形状和尺寸影响了柱状晶的生长方向,熔池长宽比越大,晶粒的生长方向越垂直于焊缝中心,晶粒短而直;长宽比越小,熔池形状越接近圆形,晶粒的弯曲程度越大,晶粒长而弯。Grain boundary evolution模型能准确地模拟不锈钢焊缝中柱状晶的生长形态,与试验结果中的柱状晶的生长形态吻合较好。     

热型连铸凝固过程微观组织形成的数值模拟

采用宏观一微观耦合的方法，建立了宏一微观统一的数学物理模型[直接差分（Direct Difference）一元胞自动控制（Cellular Automaton）模型，即CA-DD模型]，模拟了热型连铸过程中晶粒的竞争生长过程，并研究了不同工艺参数对固-液界面形状及晶粒竞争生长的影响。模拟结果表明，采用宏-微观耦合的方法模拟热型连铸过程中微观组织的演化过程以及各种工艺参数对组织形成的影响是有效、可行的。     

自然对流条件下柱状晶/等轴晶转变过程模拟

建立了耦合流场、浓度场、温度场的CA-LBM模型,采用该模型再现了合金在自然对流条件下柱状晶向等轴晶的转变过程,并与无对流条件下的凝固组织作对比,研究了自然对流对温度场和CET转变的影响。结果表明:自然对流促进了热的输运,加速了凝固进程,使柱状晶向等轴晶的转变提前,有细化晶粒的作用。     

Cu-Ag合金热型连铸凝固过程数值模拟

采用交替显式直接差分法建立了Cu-Ag合金热型连铸凝固过程温度场模拟的差分数值方法,并研究了不同工艺参数对温度场分布的影响.模拟结果表明,连铸速度、型口温度和冷却强度对Cu-Ag合金凝固过程固-液两相区的位置和大小有影响.随连铸速度增大,液固界面位置从型内向型外移动.     

镍基合金TIG焊接熔池及热影响区组织模拟

基于枝晶生长动力学和晶粒长大理论,采用元胞自动机法(CA)建立了焊接熔池及热影响区的微观组织演变模型.通过有限元模型计算了TIG焊接过程的温度场分布,并利用插值算法将热循环曲线应用于CA模型,计算了镍基合金TIG焊接熔池凝固过程枝晶生长及热影响区的晶粒长大.结果表明,焊缝边缘的晶核主要以柱状晶的形式向焊缝中心生长,其最终形貌取决于半熔化母材晶粒上的联生结晶及不同取向枝晶间的竞争生长,焊缝中心为等轴晶组织.焊接热影响区的晶粒长大使得熔池凝固形成的柱状晶组织粗大.模拟结果与试验结果吻合较好.     

制备参数对HCCM水平连铸纯铜板坯组织与力学性能的影响

采用热冷组合铸型(HCCM)水平连铸制备横断面尺寸70 mm×10 mm(宽度×厚度)具有强轴向取向柱状晶组织的纯铜板坯,研究工艺参数对纯铜板坯微观组织、表面质量与力学性能的影响。结果表明:在铜液铸造温度1250℃,热型段温度1100~1150℃,冷却水流量600 L/h、连铸拉坯速度20~80 mm/min条件下可以制备出表面粗糙度低、具有沿拉坯方向强取向组织和优良力学性能的纯铜板坯,其抗拉强度为137~141 MPa,断后伸长率为45.1%~61.7%。随着拉坯速度的增加,HCCM水平连铸所制备纯铜板坯的组织均匀性增加,晶粒尺寸变小;热型段温度升高时板坯的柱状晶组织的晶界更加平直;而总体上力学性能受拉坯速度和热型段温度的影响较小。采用HCCM水平连铸,在热型温度为1150℃时制备的纯铜板坯的表面粗糙度小于0.3μm,无需进行铣面可直接进行后续冷加工,可为发展铜板带短流程生产工艺奠定基础。     

Zn—Al合金热型连铸定向凝固的晶体生长机理

对热型连铸条件下Zn-Al系列合金引锭时的晶体形核和随后的本的竞争生长过程进行了探讨,组织观察表明,单向热流条件下引锭端部生核的晶粒当其枝晶择优生长方向与热流方向一致时才能生长,其它取向的晶粒逐渐被淘汰,合金的凝固特性对选晶过程有极大的影响,ZA5和ZA8合金由于凝固范围窄,晶体直接由引锭端部的晶粒通过竞争生长获得柱状晶组织,ZA12,ZA22和ZA27含Al量高,凝固范围宽,其平行柱状晶组织是从引锭端部的等轴晶区发展而来的。     

基于ProCAST的大尺寸空心定向叶片数值模拟

采用ProCAST软件研究了DZ409合金大尺寸空心定向叶片精密铸造过程的温度场,分析了固液界面前沿的变化,研究了定向凝固过程中浇注温度、型壳温度、拉晶速率对温度场、凝固参数、应力场的影响,并通过G（温度梯度）/R（凝固速率）分析优选工艺模拟凝固组织。结果显示,当浇注温度和模具温度均为1 560℃时,铸件不同位置的温度梯度与G/R值较大,有利于定向凝固柱状晶的生长。低拉晶速率可以获得较大的温度梯度、G/R值,有利于定向柱状晶粒生长。通过选择合适的浇注温度和拉晶速率,可显著改善叶身的晶粒取向。对模拟得到的较优工艺进行试验验证,发现晶粒取向与模拟结果一致。     

白铜管热型连铸的温度场

采用在铸型上定点检测温度,再用ANSYS分析软件计算温度场的方法,研究了铸型温度、冷却距离、连铸速度等工艺参数对白铜管热型连铸温度场的影响.根据温度分布曲线,求出了凝固前沿固液两相区的长度和位置,分析了工艺参数对两相区长度和位置的影响,以及由此对连铸过程和铸件质量的影响.在正确选择工艺参数从而确定两相区位置后,顺利连铸出直径10 mm、壁厚2 mm、表面光滑平直的白铜管.     

不同焊接电流电压下超级钢热影响区晶粒尺寸的数值模拟

.利用工程模拟软件模拟超级钢焊接温度场,在温度场模拟过程中对工件进行三维有限元网格划分,焊缝及热影响区等重要部位网格划分细密,离焊缝较远位置网格可适当稀疏.热源模型采用双椭球分布模式,利用计算机语言编制热源程序.从模拟温度场中提取热熔合线和焊接热循环曲线等信息,并实验加以验证,实验结果与模拟结果基本吻合.在热影响区温度场基础上,结合晶粒长大动力学原理计算热影响区晶粒尺寸,并实验加以验证,实验结果与计算结果基本吻合.利用此方法计算不同焊接电流、电压下热影响区晶粒尺寸,绘制晶粒尺寸图,定量预测了晶粒尺寸随电流、电压增加而增大的趋势.     

凝固组织遗传性及其在缺陷分析中的应用

连铸过程中由于热过冷与成分过冷会在连铸坯内生成柱状晶及树枝晶,在这些柱状晶与树枝晶间形成晶间偏析。以一种高碳钢为对象,研究了连铸坯组织对最终产品的影响。结果表明,晶间偏析通过加热及热轧过程并不能完全消除,通过随后的深加工遗传到最终产品中,对产品性能造成不利影响。采用苦味酸腐蚀可以直观显示连铸坯热轧前后的枝晶形貌,且可以利用枝晶形貌分析轧制过程中缺陷来源。     

热型连铸过程的一维稳态传热模型

根据热型连铸技术原理，建立了热型连铸凝固过程一维稳态温度场的物理、数学模型。通过数值计算，得出了铸型出口温度、冷却距离、拉铸速度和喷水冷却强度等工艺参数对铸坯固液界面位置的影响。计算结果与试验结果吻合。     

连铸工艺对方坯凝固组织影响的数值模拟

铸坯凝固组织特征对于连铸坯粗坯质量具有重要影响。通过建立重轨钢U71Mn方坯连铸过程中传热和凝固组织模拟数学模型,研究了CA模型特征参数和连铸操作工艺参数对于凝固组织特征的影响规律。研究结果表明：平均形核过冷度控制柱状晶区域,随着该值的增大,柱状晶区域也随之增大;最大形核密度控制晶粒尺寸,该值越大晶粒的尺寸则越小。连铸拉坯速度波动在±0.5m/min时,最终铸态组织特征并没有明显变化,而浇注温度对于最终铸坯组织结构具有较大的影响,晶粒平均半径由15℃的1.555mm增加到45℃的1.721mm,并且中心等轴晶比例逐渐减小。因此,连铸生产过程中,在满足钢液顺利浇注的条件下,降低浇注钢液的过热度会很大程度上改善重轨钢内部组织结构,提高铸坯内部质量。     

热型连铸CuAlBe超弹性合金丝的力学性能

研究热型连铸柱状晶CuAlBe超弹性合金的性能并与单晶相比较。用热型连铸法制备了柱状晶CuAlBe超弹性合金丝,用循环拉伸试验检测其力学性能,用纯弯曲疲劳试验检测其弯曲疲劳寿命。结果表明,柱状晶CuAlBe合金丝的可恢复应变可达到15％,与单晶接近。超过这一应变量将导致马氏体稳定化,产生残余变形,导致卸载时拉伸曲线上出现锯齿状峰。柱状晶的弯曲疲劳寿命与单晶的为同一数量级,比机械加工表面的单晶高,而比电解抛光表面的单晶低。由此可见,柱状晶CuAlBe的性能与单晶的相近。