DD6合金选晶器定向凝固的数值模拟与实验

使用有限元数值模拟和实验方法对DD6合金选晶器定向凝固过程的温度影响、晶粒组织以及晶粒生长进行了研究。结果表明,温度场模拟与选晶器定向凝固过程的温度变化基本相符,晶粒组织生长的模拟能够反映晶粒竞争生长的实际情况,与实验试样基本一致。由于取向与温度梯度不一致晶粒的位置被取代,使得引晶段中的晶粒平均半径随着高度增加而增大,晶粒密度不断减小,两者有负指数关系。对比了螺旋段不同高度截面EBSD晶粒取向实验成像与晶粒模拟结果,组织模拟与实验结果较为吻合。通过分析螺旋通道中的晶粒竞争生长关系,位于螺旋通道内侧和上部的晶粒更具有位置优势,容易被选晶器选出。     

DD6合金定向凝固选晶器的数值模拟与实验研究

使用有限元数值模拟和实验方法对DD6合金选晶器定向凝固过程的温度影响、晶粒组织以及晶粒生长进行了研究,结果表明温度场模拟与选晶器定向凝固过程的温度变化基本相符,晶粒组织生长的模拟能够反映晶粒竞争生长实际情况,与实验试样基本相一致。由于取向与温度梯度不一致晶粒的位置被取代,使得引晶段中的晶粒平均半径随着高度增加而增大,晶粒密度不断减少,两者有负指数关系。对比了螺旋段不同高度截面EBSD晶粒取向实验成像与晶粒模拟结果,组织模拟与实验结果较为吻合。通过分析螺旋通道中的晶粒竞争生长关系,位于螺旋通道内侧和上部的晶粒更具有位置优势,容易被选晶器选出。     

单晶高温合金螺旋选晶器选晶行为的模拟和试验研究

通过试验和模拟的方法分析了选晶器引晶段的晶粒组织演化规律和不同情况下等温线的形态分布,以及倾斜等温线下晶粒竞争生长的过程,同时研究了螺旋段的选晶行为。结果表明,引晶段的不同高度具有不同的组织形态,引晶段主要靠晶粒间的竞争生长作用优化晶粒取向,不同形态的等温线下晶粒的优先生长方向不同。螺旋段主要靠螺旋通道对枝晶生长的几何约束选择晶粒,确保只有一个晶粒进入型腔生长成为单晶组织。     

镍基单晶高温合金螺旋选晶过程的数值模拟

采用ProCAST & CAFE模型,模拟了选晶法制备镍基单晶高温合金DD3过程中的晶粒组织演化。结果表明,选晶器引晶段的主要作用是优化晶粒取向,随着距引晶段底部距离的增加,<001>晶向与热流方向偏离角较大的晶粒逐渐被淘汰,到达距引晶段底部26 mm处时,<001>取向的晶粒与热流方向之间的夹角平均值小于10°。螺旋选晶段的主要作用是获得单一晶粒,其对晶粒的取向没有优化作用。螺旋选晶过程中,靠近螺旋通道外侧的晶粒因受到螺旋通道较强的几何阻碍逐渐失去生长空间,而靠近螺旋通道内侧的晶粒通常被选为最终的单晶。螺旋选晶段对晶粒的选择或淘汰与该晶粒在螺旋通道内所处的位置（螺旋通道的内侧或外侧）有密切关系,而与晶粒的晶体学取向没有必然联系     

单晶高温合金的选晶行为

对高温合金单晶选晶生长工艺进行了实验研究,揭示了螺旋选晶器和缩颈选晶器的原理,实验结果表明,在螺旋选晶器中,晶体横向拚优生长与螺旋结构的耦合作用,形成连续选晶过程,是螺旋选晶的主要原理,其选晶作用良好;而在缩颈选晶器中,几乎只存在单一的机械阻隔选晶行为,多重缩颈结构对于改善选晶作用并不明显,选晶效果不好。     

镍基单晶高温合金DD3制备过程中晶粒演化和选晶行为的EBSD研究

采用选晶法在改进的Bridgman定向凝固炉上进行镍基单晶高温合金DD3定向凝固实验,研究了选晶法制备镍基单晶高温合金过程中晶粒组织演化和螺旋选晶行为,采用电子背散射衍射(EBSD)技术对晶粒的竞争过程进行分析.结果表明,选晶器引晶段的主要作用是优化晶粒取向,获得取向良好的<001>定向凝固组织.在距激冷板36.1 m...     

不同制备方法对单晶高温合金取向特征的影响（英文）

在高温度梯度定向凝固炉中分别采用选晶法和籽晶法制备单晶高温合金,并采用XRD测定单晶的取向特征。结果表明,采用选晶法制备单晶高温合金时,在激冷板上随机形核的晶粒经过起晶段的竞争生长和螺旋段的选晶作用后,最终获得具有择优取向001的单晶。采用籽晶法制备单晶高温合金时,通过重熔籽晶的外延生长,所获得的单晶取向与籽晶取向保持一致。     

不同制备方法对单晶高温合金取向特征的影响

在高温度梯度定向凝固炉中分别采用选晶法和籽晶法制备单晶高温合金,并采用XRD测定单晶的取向特征。结果表明,采用选晶法制备单晶高温合金时,在激冷板上随机形核的晶粒经过起晶段的竞争生长和螺旋段的选晶作用后,最终获得具有择优取向<001>的单晶。采用籽晶法制备单晶高温合金时,通过重熔籽晶的外延生长,所获得的单晶取向与籽晶取向保持一致。     

一种柱状晶辅助选晶制备镍基单晶高温合金的方法

提出了一种采用柱状晶辅助选晶的制备镍基单晶高温合金的方法。采用金相显微镜和电子背散射衍射（EBSD）等方法表征了单晶制备过程中显微组织及晶体取向。结果表明:柱状晶部分熔化,柱状晶边缘回熔界面附近形成大量杂晶,但只有<001>方向偏离定向凝固方向较小的晶粒能够长大。采用柱状晶选晶的方法能够在螺旋选晶器出口处获得<001>方向偏离定向凝固方向小于8°的单晶铸件。     

抽拉速率对螺旋选晶器选晶行为和晶体取向演变的影响（英文）

采用宏观-微观耦合的元胞自动机(CAFE)方法,研究了不同抽拉速率对螺旋选晶器的选晶行为和晶体取向演变的影响,并通过实验对仿真结果进行了验证。结果表明:在相同的抽拉速率下,随着与激冷面距离的增大,枝晶数目逐渐减少,一次枝晶臂间距逐渐增大。随着抽拉速度由2 mm/min增加到8 mm/min,一次枝晶臂间距逐渐减小,枝晶茎数增加,枝晶间距逐渐减小,枝晶组织逐渐细化。在模拟过程中,在螺旋选择器启动块的3种抽拉速率下,固态组织的数量、面积和颜色都是相似的;在螺旋部分,在5 mm/min提取速率下晶体的微结构数量比其他2个提取速率下的少,并且面积更大,颜色更浅。从选晶器的晶粒组织演变和金相组织分析结果可以得出,中等抽拉速率(5 mm/min)下选晶器的选晶效率优于其他2种抽拉速率。     

抽拉速率对螺旋选晶器选晶行为和晶体取向演变的影响

采用宏观-微观耦合的元胞自动机（CAFE）方法,研究了不同抽拉速率对螺旋选晶器的选晶行为和晶体取向演变的影响,并通过实验对仿真结果进行了验证。结果表明：在相同的抽拉速率下,随着与激冷面距离的增大,枝晶数目逐渐减少,一次枝晶臂间距逐渐增大。随着抽拉速度由2 mm/min增加到8 mm/min,一次枝晶臂间距逐渐减小,枝晶茎数增加,枝晶间距逐渐减小,枝晶组织逐渐细化。在模拟过程中,在螺旋选择器启动块的3种抽拉速率下,固态组织的数量、面积和颜色都是相似的;在螺旋部分,在5 mm/min提取速率下晶体的微结构数量比其他2个提取速率下的少,并且面积更大,颜色更浅。从选晶器的晶粒组织演变和金相组织分析结果可以得出,中等抽拉速率（5 mm/min）下选晶器的选晶效率优于其他2种抽拉速率。     

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。     

定向凝固DZ4125柱晶高温合金晶粒生长过程组织演化及其竞争生长行为

采用Bridgman定向凝固法制备DZ4125柱晶高温合金定向试棒,研究在恒定抽拉速率下定向晶粒生长过程微观组织演化及晶粒间竞争生长行为。结果表明,随着定向凝固柱晶高温合金生长高度的增加,一次枝晶间距增加,γ′相尺寸减小,且γ′相形貌由蝴蝶状向立方体状、近球状转变,枝晶间处γ′相尺寸和数量均高于枝晶干处。碳化物和γ+γ′共晶组织主要分布于枝晶间区域,且随着生长高度的增加,碳化物形貌由细小块状逐渐向条状、骨架状转变。此外,由于晶体的竞争生长,随着生长高度增加柱状晶数量明显减少,表现为在最终生长区内主要存在定向起始段中心部晶粒。上述过程主要因为存在凸固液界面生长条件,晶粒向近炉壁侧倾斜发散生长,中心部晶粒淘汰边缘晶粒发生稳定生长。     

数值模拟技术在制备燃气轮机叶片中的应用

从单晶叶片的选晶过程、HRS定向凝固工艺制备航空叶片及LMC工艺制备重型燃气轮机叶片3方面,简要介绍了数值模拟技术的研究进展。描述了数理模型的建立,对比分析了两种不同的定向凝固工艺的优缺点。螺旋选晶器的设计对单晶叶片的制备影响较大,其设计失效可能会导致选晶效率差,出现杂晶缺陷等。通过对航空叶片温度场及微观组织的模拟,结合试验研究,优化了工艺,成功制备出单晶叶片。重型燃气轮机叶片制备更为复杂,通过数值模拟缩短了研发周期,节约了成本。     

基于CAFE模型的镍基合金定向凝固过程显微组织模拟

采用CAFE模型(Cellular automata finite element method)模拟第二代镍基高温合金CMSX4凝固过程中的晶粒生长,并探讨浇注温度和冷却速度对凝固组织的影响。结果表明:凝固开始时,首先在铸锭底部会形成一层取向随机的细小等轴晶,由于晶粒间的竞争生长,晶粒数目减小,晶粒尺寸增大,?001?晶向与热流方向偏离角较大的晶粒逐渐被偏离角较小的晶粒淘汰。浇注温度的提高会使晶粒尺寸变大、晶粒数目变小,而冷却速度的升高却会使晶粒尺寸变小,与理论分析一致。     

动态再结晶过程的三维元胞自动机模拟

建立了一类模拟金属材料动态再结晶的三维元胞自动机模型,该模型把宏观尺度的热加工参数和介观尺度的位错密度变化耦合在一起,考虑了动态回复、形核率、应变和初始晶粒尺寸的影响.利用这个模型可以追踪动态再结晶过程微观组织的变化,并且可以得到再结晶晶粒形态及晶粒的取向和大小.模拟结果与动态再结晶生长动力学理论符合较好.模型预测的再结晶微观组织及晶相形状和试验微结构吻合较好.     

BaZrO3复合型壳定向凝固Ti-46Al-8Nb合金的微观组织研究

采用BaZrO_3复合型壳定向凝固Ti-46Al-8Nb合金。通过扫描显微镜、金相显微镜和XRD等手段分析了BaZrO_3耐火材料与金属熔体之间的界面情况、熔体通过螺旋选晶器后的晶粒数目和片层变化、晶臂与枝晶干的夹角以及凝固后Ti-46Al-8Nb合金的组织形貌。结果表明,BaZrO_3复合型壳与Ti-46Al-8Nb合金之间存在约为10μm的扩散层;在抽拉速度7.7 mm/min、温度1 550℃条件下,Ti-46Al-8Nb合金的初生相为α相以及β相,经过定向凝固后的微观组织为γ＋α_2片层、γ相以及B2相;在定向凝固过程中,螺旋选晶可以明显使晶粒数目减少,但是对片层间距的大小无影响。     

Al—Cu合金等轴枝晶组织形成的模拟及计算机可视化

通过解用热焓法处理结晶潜热的二维不稳定热传导方程模拟凝固温度场,利用连续形核模型和枝晶尖端生长的动力学模型,即KGT模型模拟Al-4%Cu合金等轴晶的形成,将凝固温度场的模拟和晶粒组织形成的模拟相耦合,计算了该合金的凝固等轴晶组织特征值,包括晶粒密度和平均晶粒尺寸,并在计算机上实现了晶粒形成过程的可视化;与实验结果进行比较表明,模拟结果与实验结果基本吻合。     

基于CAFE模拟钛合金丝材电弧增材制造凝固过程的组织演变

采用CAFE(Cellular automation finite element)对Ti6Al4V合金丝材电弧增材制造的快速凝固过程进行模拟计算。通过建立不同阶段(堆积层)的三维模型,建立晶体形核与生长模型,并结合三维热传导(包含结晶潜热释放)模型,研究了不同阶段的温度场对固-液转变、初始β晶形核及生长等影响。结果表明:初始阶段初始β晶取向杂乱且晶粒尺寸细小;随着增材高度的增加,水平方向温度梯度变缓,平均固-液转变糊状区域宽度增加,初始β晶平均晶粒尺寸增加,晶体取向趋于热流传递方向(垂直于冷基板方向);其模拟结果与实际增材制造后的初始β晶组织形貌基本一致。     

高C轴取向纳米ZnO 薄膜的制备工艺研究

采用射频磁控溅射工艺,用高纯ZnO粉末制作靶材,在普通玻璃基片上制备高度C轴取向且残余应力低的纳米ZnO薄膜,并分析其退火前后的组织和微结构。结果表明:在试验范围内,溅射态ZnO薄膜的组织都均匀、致密,晶粒尺寸小于50nm,具有高度的C轴取向,但膜内有残余拉应力,混晶取向且结晶性差的ZnO薄膜的残余应力大;提高氧分压有利于薄膜C轴取向生长和提高晶化程度;在500℃保温2h退火,薄膜内残余应力显著降低,晶化程度提高,晶粒尺寸略有增加。