铝基四元合金枝晶组织及微观偏析的数值模拟

建立了基于元胞自动机(CA)和热力学相平衡计算引擎(PanEngine)的二维耦合模型,并应用于铝基四元合金枝晶组织和微观偏析的数值模拟.在该耦合模型中,采用CA方法模拟枝晶组织的演变.以固/液界面的平衡液相线温度和实际温度的差值作为枝晶生长的驱动力,同时考虑了固/液界面曲率的Gibbs-Thomson效应.通过求解溶质传输方程获得固/液界面处三种溶质的液相成分,耦合PanEngine获得固/液界面处的平衡液相线温度及三种溶质的平衡固相成分,为提高计算效率,采用预制数据表格的优化策略将CA与PanEngine进行耦合.将Al-4.5Cu-0.5Mg-1Si(质量分数,%)四元合金凝固时的固相分数随温度的变化以及固相分数和固相成分分布关系的模拟结果与Scheil模型和平衡凝固模型的预测结果进行了对比,结果表明,该模型不仅可应用于模拟多元合金中的枝晶生长形貌,而且能对铝基四元合金系凝固的微观偏析进行定量预测.     

凝固速率对定向凝固合金DZ22枝晶臂间距和枝晶偏析的影响

采用新研制的超高梯度定向凝固装置，研究了不同凝固速率下定向凝固高温合金ＤＺ２２枝晶臂间距和枝晶偏析。结果表明，冷运速率增大，枝晶臂间距显著细化，枝晶偏析被强烈抑制。当冷运速率为５２．４Ｋ．ｓ＾－１时，一次、二次枝晶臂间距λ１和λ２分别为２８．８和８．４μｍ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｗ等元素的偏析比均趋近于１。     

二元合金激光快速熔凝过程的非Fourier模型

基于非Fourier定律，建立了脉冲激光加热条件下单相二元合金表面快速重熔和凝固过程的非平衡传热传质模型，并根据碰撞理论和Aziz的连续生长模型处理固／液界面，以解释快速熔凝过程界面动力学的非平衡效应，快速熔凝问题是涉及热质传输的移动界面问题，通过二阶精度的Von Neumann隐式差分格式和界面跟踪方法进行过程模型的数值求解。应用该模型，分析了Al-Cu二元合金的激光表面熔凝过程，结果表明，激光的高能量密度和非平衡界面动力学所引起的熔化过程和凝固过冷对于快速熔凝过程的影响很大，在快速熔凝过程中，界面速度的变化很大，且因基底材料和热流大小而不同，通过计算获得了界面温度，速度、溶质浓度及非平衡分配系数随界面位置的变化，结果显示，在凝固过程中界面速度和界面溶质浓度都存在着很大的波动。     

基于微观偏析统一模型及Thermo-Calc的三元合金凝固路径耦合计算

将合金凝固微观偏析统一模型推广到三元合金凝同微观偏析的预测,并提出了能够计算三元匀晶与共晶合金凝固路径的数值计算方法.实现了在源代码层次上与热力学计算软件Thermo-Calc及其数据库的耦合,以获取多元合金凝固路径计算所需的凝固热力学数据.通过Fe-40V-40Cr,Al-4.5Cu-1.0Si,Al-10Cu一2.5Mg和Al-1.49Si-0.64Mg(质量分数,%)等多元/多相合金在小同冷速下凝固路径的实例计算,以及与相应的凝固组织定量金相实验结果对比,验证了本文多元/多相凝固模型和算法的正确性.     

Study of Microsegregation In Al--Cu—Zn Ternary Alloys by Experiment and Scheil Model

应用相图计算耦合Scheil模型、简单Scheil方程和实验比较研究了Al-Cu-Zn合金单相凝固过程的凝固路径和微观偏析，相图计算耦合Scheil模型的计算结果显示，Al-Cu-Zn合金单相凝固结束点的溶质含量与凝固初始点的成分同步变化，溶质含量和溶质分凝系数随凝固过程的进行不断增加；在热力学计算出合金分凝系数的基础上，简单Scheil方程可以计算初生相含量，从不同溶质得到的计算结果是自洽的，并与相图计算耦合Scheil模型的预测值一致；实验测定了不同成分铝合金的共晶含量和枝晶间距，实验数据与模型结果基本一致。     

MODELING STUDY OF CONVECTION AND CONSTITUTION VARIATION IN INGOT DURING SOLIDIFICATION

Convection and constitution variation of liquid metal during solidification has been studied us-ing NH_4Cl aqueous solution.The liquid in mushy zone attached to the side wall of the moldwill flow upward and form a low concentration region,in which no significant convection oc-curs,on the top of liquid zone.This region develops downward gradually during solidification.Addition of adequate component may suppress the formation of this region.     

铸锭凝固过程中的对流及液相区成分变化的模拟实验研究

采用凝固过程和对流条件与碳钢相似的NH_4Cl水溶液模拟实验,研究了铸锭凝固过程中的对流及液相区的成分变化。染色液示踪的结果表明,dρ_L/dT_L>0的溶液凝固过程中,侧向凝固的两相区中液相向上流动,并自上部流入液相区后,浮在液相区的上部形成一个弱对流区(第Ⅲ对流区)。随着来自两相区液相的不断补充,该区向下扩展。成分分析发现,第Ⅲ对流区内NH_4Cl浓度低于原液相区。向溶液中加入Na_2SO_4或NaI·2H_2O可以平衡两相区内液相密度的变化,抑制两相区的流动和第Ⅲ对流区的形成,从而消除液相区上部的低NH_4Cl区。     

Al-Pb合金的快速定向凝固及其模拟

对Al-Pb合金开展了快速定向凝固实验,并根据实际凝固条件模拟计算了合金的组织演变过程.结果表明,当凝固速度不变时,Pb相粒子尺寸及其分布范围随Pb含量的增加而增大;当合金成分不变时,Pb相粒子尺寸及其分布范围随凝固速度的增加而减小.模拟结果与实验数据吻合较好,展现了快速定向凝固条件下Al-Pb合金的凝固组织形成过程.     

强磁场对Cu-90%Pb合金凝固中比重偏析的影响

研究了强磁场对Cu-90％Pb合金中比重偏析的影响规律。结果表明：10T磁场下,当冷却速度达到100℃／min以上时,Cu-90％Pb合金中的重力偏析得到完全抑制;随着磁感应强度的增加,磁场对比重偏析的抑制作用增强。在30℃／min冷却速度下,12T磁场使该种合金凝固中的50微米直径颗粒上浮速度下降90％以上。理论分析表明：强磁场增加金属熔体粘度,降低自然对流,诱生洛伦兹力阻力来抑制颗粒上浮和聚合。     

凝固收缩补偿与合金的热裂倾向

在总结前人热裂纹研究的基础，提出了热裂纹形成的凝固收缩补偿模型，该模型将合金凝固过程按收缩补偿方式分为准液相区，可补缩区，不可补缩区，晶间塔桥四个阶段，热黎明纹形成于不可补缩区，晶间液相收缩产生孔洞，并在进一步收缩过程中扩展为热裂纹，利用等径圆柱和等径圆球模型计算出理想状态下柱状晶和等轴晶不可补缩区液相体积分数范围分别为０．３１％－９．３％和０．８３％－２６％，对Ａｌ－Ｃｕ合金和Ａｌ－Ｓｉ合金不可     

INFLUENCE OF Sr AND Sb ON SOLIDIFICATION OF Al-Si ALLOYS

本文用差热分析法研究了Al-Si共晶合金、亚共晶合金的动态凝固过程。结果表明,Sr和Sb均提高Al-Si合金的共晶析出温度和降低Al-Si共晶的结晶体速度。同时,通过Al-Si共晶合金液与Si晶面之间润湿角的测量和界面张力的计算发现,Sr与Sb原子均无Si晶面上的热力学吸附倾向,但会在Si晶面上富集,故Al-Si合金的变质阈值与合金的冷速有关。     

SOLIDIFICATION AND MICROSEGREGATION BEHAVIORS OF NICKEL-BASE SINGLE CRYSTAL SUPERALLOY SOLIDIFIED AT MEDIUM COOLING RATE

ＳＯＬＩＤＩＦＩＣＡＴＩＯＮＡＮＤＭＩＣＲＯＳＥＧＲＥＧＡＴＩＯＮＢＥＨＡＶＩＯＲＳＯＦＮＩＣＫＥＬＢＡＳＥＳＩＮＧＬＥＣＲＹＳＴＡＬＳＵＰＥＲＡＬＬＯＹＳＯＬＩＤＩＦＩＥＤＡＴＭＥＤＩＵＭＣＯＯＬＩＮＧＲＡＴＥ①ＤｕＷｅｉ,ＬｉＪｉａｎｇｕｏａｎ...     

Pb-Bi亚共晶和包晶合金的快速凝固

采用硅油净化法使大体积Ｐｂ－５０％Ｂｉ亚共晶合金和Ｐｂ－２９．２％Ｂｉ包晶合金分别获得了４５Ｋ（０．１１ＴＬ）和１１７Ｋ（０．２３ＴＬ）的过冷度,并对这两种合金快速凝固过程中ε金属间化合物相的组织开矿及随过冷度的变化规律进行了探讨,对于Ｐｂ－５０％Ｂｉ亚共晶合金,实验发现ε相以枝晶方式生长,随着这冷度的增大,ε相枝晶细化显著,最大过冷度处一次和二次枝晶间距细化达一个数量级,同时在过冷度达４５Ｋ的试     

A CRITERION OF CELL-DENDRITE TRANSITION IN UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF BINARY ALLOYS

<正> 有关本课题前人得出的经验判据缺乏物理意义,我们希望经过理论分析与实验验证,得出树枝晶出现的条件。 图1描述了稳态生长中胞晶沿x方向和y方向凝固前沿溶质分布的物理模型。图1b中曲线Ⅰ和Ⅱ分别代表晶胞表面和液相中心线上的溶质浓度分布。     

MATHEMATICAL MODELING OF INITIAL SOLIDIFICATION IN CONTIN UOUS CASTING

1ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＭａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｓｆｏｒｃｏｎｔｉｎｕｏｓｃａｓｔｉｎｇｈａｖｅｂｅｅｎｄｅｖｅｌｏｐｅｄｉｎｖａｒｉｏｕｓａｓｐｅｃｔｓｓｕｃｈａｓｍａｃｒｏｓｃｏｐｉｃｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ,ｆｌｏｗｏｆｍｏｌｔｅｎｓｔｅｅｌ,ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｆｌｏｗａｎｄｈｅａｔｆｌｕｘ,ｍａｃｒｏｓｃｏｐｉｃｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｍｏｌｄａｎｄｓｔｒａｎｄ,ｍｉｃｒｏｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎ,ｓｔｒｅｓｓａｎｄｓｔｒａｉｎｉｎｓｅｃ…     

定向凝固过程中NH_4Cl-H_2O枝晶生长的数值模拟

建立了一种改进的元胞自动机模型(MCA),通过考虑成分过冷、曲率过冷、择优取向系数、温度梯度和抽拉速度等因素,模拟了不同温度梯度方向、不同择优取向及不同抽拉速度对柱状晶形态的影响.模拟结果较好地刻画了温度梯度和生长方向夹角的变化对一次枝晶臂间距的影响,不同择优生长取向的柱状晶竞争生长过程以及柱状晶尖端分叉机制.为了验证模型的可靠性,使用NH_4Cl-H_2O透明合金进行了定向凝固实验,实验结果和模拟结果吻合较好.     

铝合金凝固过程的声发射及氢气析出过程

采用声发射测试技术,对Al-Si和Al-Cu系合金凝固过程进行监测,证实合金在凝固过程中存在声发射现象,表现为两个声发射信号计数率峰,两个峰的总计数都随着合金中气体含量增加而增高。本文对Al-Si,Al-Cu合金系产生声发射现象的机理进行了探讨,同时,借助其它实验手段证实了声发射信号与合金凝固中气体析出有很好的对应性。第一个计数率峰与气泡在枝晶臂间形核相吻合。第二个计数率峰与凝固末期的枝晶间拉裂现象相对应,可能是氢在枝晶间析出和聚集产生高压氢导致的拉裂。     

ACOUSTIC EMISSION AND HYDROGEN EVOLUTION DURING SOLIDIFICATION OF ALUMINUM ALLOYS

Study of the solidification process of both Al-Si and Al-Cu alloys proved the presence ofacoustic emission phenomena.Two peaks of count rate have been observed.The total countsof both peaks increase with the increasing hydrogen content of the alloy.The mechanism ofproducing the acoustic emission has been discussed.At the same time,results obtained by oth-er techniques strongly support the good correlation between the acoustic emission andhydrogen releasing during solidification.The bubble nucleation between dendrite arms is themain cause of the first peak,while the fracture of the bridge connecting the interdendrites atthe later stage of solidification is the main cause of the second peak.It is probably due to thehydrogen evolution and accumulation to create high pressure in the interdendritie region.     

合金动态结晶的微观动力学机制SCIEI

利用原子簇团跳跃理论模型，建立了动态结晶条件下的晶体生长速度微观动力学模型，指出古典连续生长（ＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＧｒｏｗｔｈ或ＣＧ）模型仅是本模型的一个特例．理论分析结果表明，晶体的生长速度除与金属本身性质有关外，还与过冷度△Ｔ、外力Ｆ有关．利用此模型分析了流体流动条件下柱状晶、柱状枝晶的某些结晶现象．     

Fe-C合金凝固过程流动、传热、传质的耦合数值模拟

通过耦合求解凝固过程质量、动量、能量和溶质守恒方程，对Fe-C二元合金凝固过程中的流动、传热、传质现象进行了数值模拟，基于控制容积的有限差分法（CV-FDM）建立了微分方程的隐式离散格式，采用SIMPLE方法求解，代数方程的求解采用交替方向隐式（ADI）和三对角矩阵算法（TDMA）相结合的方法，对一上下边界绝热，左右边界对流换热的二维矩形区域的模拟计算表明，凝固初期排出的溶质主要被凝固前沿的液相流动带入液相区，在固液两相区中，由于枝晶骨架造成的流动阻力很大，在不考虑凝固收缩的条件下，两相区中的液相流动速度一般较纯液相区的流小2-3个数量级。