基于ProCAST软件的镍基中空叶片定向凝固过程模拟

采用ProCAST铸造仿真软件对镍基中空叶片定向凝固过程进行仿真模拟。结果表明:当界面换热系数恒定为1 500 W/m2·K时,随着抽拉速率逐渐降低,糊状区最小宽度从66.4 mm(v=8 mm/min)降低为39.1 mm(v=2mm/min);当抽拉速率恒定为2 mm/min时,随着界面换热系数降低,糊状区最小宽度从74.5 mm(H=1 500 W/m2·K)降低为39.1 mm(500 W/m2·K);抽拉速率和界面换热系数分别为2 mm/min和1 500 W/m2·K时,中空叶片最大位移量约为0.05 mm,可获得一定的尺寸精度。     

定向凝固NiAl-9Mo共晶合金的凝固组织特性

采用液态金属冷却法在恒定温度梯度GL=334 K/cm,大生长速率范围内（2~300μm/s）对Ni-45.5Al-9Mo （摩尔分数,%）共晶合金进行定向凝固制备。研究生长速率（v）对纤维间距（λ）、纤维直径（d）和纤维体积分数的影响。在实验中发现平界面和胞界面两类共晶生长界面。在平界面和胞界面组织中,生长速率（v）与纤维间距（λ）和纤维直径（d）的关系经回归分析分别为：λv1/2=5.90μm·μm1/2·s1/2和 dv1/2=2.18μm·μm1/2·s1/2。Mo纤维的体积分数可在一定的范围内随生长速率进行调整,这是由生长过程中界面前沿过冷度的增加及共晶组织中各组成相的生长特性引起的。     

基于3D-CAFE法的连铸Ag-28Cu合金凝固组织的数值模拟

基于3D-CAFE法对连铸法制备的Ag-28Cu合金的凝固组织进行了模拟,研究了表面换热系数、浇注温度和拉速对凝固组织的影响。结果表明,增大表面换热系数、降低浇注温度、提高拉速,可起到细化晶粒的效果。在最佳工艺条件为表面换热系数1800 W/(m2·K)、浇注温度830℃、拉速1.5 m/min时,Ag-28Cu合金的凝固组织等轴晶比例最大,且晶粒较细。     

基于反热传导法的镁合金半连铸一冷区换热系数研究

文中设计了模铸实验并采用喷水冷却方式来模拟AZ31镁合金半连铸一冷区传热过程,得到了用于反求界面换热系数的温度变化曲线。采用反热传导法求解了不同冷却水量下熔体-模具间的界面换热系数,并分析了冷却水量对界面换热系数的影响。结果表明,随着冷却水量的增加,界面换热系数峰值与冷却水量呈正相关,冷却水量由20 L/min提高到60 L/min时,换热系数峰值从1 425.8 W/(m²·K)增加到2 727.5 W/(m²·K),且高冷却水量的换热系数峰值出现在低的温度;随着冷却水量的增加,从铸坯边部到中心的凝固组织均匀性明显提高。     

K418高温合金下引式热型连铸温度场模拟

建立了镍基K418高温合金下引式热型连铸(OCC)凝固过程温度场模型,采用试验与ProCAST模拟相结合的方法修正了界面换热系数条件,使模拟结果与试验结果的最大差异不超过4%,可以较好地模拟实际凝固过程温度场。模拟结果表明:当浇注温度从1 460℃升高到1 540℃时,两相区宽度由15 mm减小到10 mm,温度梯度从33 K/cm增大到40 K/cm;当冷却距离由13 mm增大到33 mm时,两相区宽度从12 mm增大到16 mm,温度梯度从28 K/cm降低到23 K/cm;当平均拉坯速度从9 mm/min增大到18 mm/min时,两相区宽度从12 mm增大到15 mm;当温度梯度从35 K/cm减小到25 K/cm、拉速增大到36 mm/min时,固液界面位置下移到BN铸型出口处,有拉断、漏钢的风险。K418高温合金铸锭(10 mm)合理的下引式热型连铸制备参数范围为:熔体浇注和BN铸型温度1 500～1 540℃,冷却距离23 mm,平均拉坯速度9～18 mm/min。     

水冷模铸下430铁素体不锈钢温度场和流场的数值模拟

用实验与模拟计算相结合的方法研究了水冷条件下430铁素体不锈钢的温度场分布、流场分布及凝固组织。水冷条件下,铸件的凝固组织几乎都是等轴晶,当顶部的传热系数h=100 W/(m2·K),四周和底部的传热系数h=2000 W/(m2·K)时,模拟计算的凝固组织与实验得到的组织基本一致。采用CAFE模块对水冷条件下铁素体不锈钢凝固过程的温度场和流场进行分析,得到铸件底部凝固前沿和液相线前沿温度梯度最大分别为6.75 K/mm和7.15 K/mm,从侧壁到中心,液相线前沿和凝固前沿的温度梯度逐渐降低;铸件底部到顶部固液两相区的宽度逐渐增加然后减小,固液两相区内流体流动速率逐渐降低,在底部达到最大值4.23 mm/s;液相线前沿流体流动速率呈逐渐增大的趋势,平均值为2.40 mm/s。     

铝合金薄板强风气垫射流加热过程的对流换热系数研究

实验研究了强风气垫冲击射流加热铝合金薄板的对流换热特性。基于集总热容法计算表面对流换热系数,获得射流速度42 m/s~68 m/s(压力0.4 kPa~1.0 kPa)的表面对流换热系数与铝板温度关系。对于厚度为3 mm的薄板,若要实现工业气垫炉加热所需的4.5℃/s的加热速率,其表面平均对流换热系数应大于231 W/(m~2·K),雷诺数Re要大于17 138。利用实验数据的回归处理及最小二乘法,建立了强风气垫射流加热过程的平均对流换热准数方程,与实验数据比较,该准数方程与实验结果吻合良好,误差小于4.5%。     

Nd-Fe-B包晶合金高梯度定向凝固试验研究

在定向凝固试验中,采用全熔和区熔两种加热方式分别获得了180 K/cm和250～360 k/cm的温度梯度,在5～500μm/s的抽拉速率范围内对过包晶Nd13.5Fe79.75 B6.75合金进行了定向凝固试验,考察了温度梯度和抽拉速率对此合金凝固组织及相含量的影响.结果表明,合金的凝固组织包含初生a-Fe枝晶、包晶Nd2Fe14B相及少量的富Nd相.随着抽拉速率的增加,包晶相含量先增加后减少;而在同一抽拉速率下,提高温度梯度可增加铁磁性Nd2Fe14B相的含量.当抽拉速率为50 μm/s时,区熔试样中(G=300 K/cm)Nd2Fe14B相的含量可达约90%,而相同速率下全熔试样(G=180 K/cm)中其含量约为60%.     

中厚板辊式淬火换热系数的确定方法

为了确定中厚板辊式淬火过程中的最佳换热系数,进行了12MnNiVR钢板淬火过程中的温度场和应力场计算.依据温度场分析提出了中厚板在淬火机高压区内淬火过程中换热系数的确定方法,并用该方法确定了不同厚度12MnNiVR钢板在高压区淬火的换热系数.应力场分析表明,在低压区采用低的换热系数,可显著降低钢板淬火过程中产生的热应力及残余应力.20mm厚12MnNiVR钢板低压区淬火,平均换热系数确定为1 kW/(m2·K),与采用8 kW/(m2·K)相比,钢板表面残余压应力与中心残余拉应力的差值可降低181.2 MPa.     

金属型铸造界面换热系数峰值预测模型的建立和验证

在改进Hamasaiid模型的基础上提出了新的金属型铸造界面换热系数峰值hmax预测模型,该模型引入表面张力参数,定量研究其对界面换热的影响。采用A356铝合金金属型重力铸造实验对模型进行验证。结果表明:反求计算的hmax约为5944 W/(m2·K),采用Hamasaiid模型计算的hmax约为7987 W/(m2·K),误差约为34%;新模型未考虑表面张力时计算的hmax约为6228 W/(m2·K),误差约为5%,考虑表面张力时计算的hmax约为5992W/(m2·K),误差约为1%。新模型计算精度有较大提升,计算结果与反求结果具有很好的一致性,表面张力对计算精度有一定影响。     

基于ProCast的镍基单晶高温合金数值模拟

采用ProCast软件和CAFE模型对不同工艺条件下的DD3镍基高温合金的定向凝固过程进行了模拟,分析了抽拉速度对糊状区的影响及加热区温度和抽拉速度对定向凝固温度场和枝晶二次臂间距的影响规律。结果表明,提高加热区温度和抽拉速度,可以获得更细化的微观组织,降低二次枝晶臂间距,但是抽拉速度过大,糊状区宽度变宽,糊状区位置下移,界面下凹,叶片平台处容易出现杂晶,因此抽拉速度需要控制在一个合理范围内。     

镍基高温合金多叶片定向凝固过程数值模拟

建立了基于Monte Carlo法的射线追踪模型,并用来动态处理定向凝固抽拉过程中多叶片间以及叶片与加热炉间的辐射换热过程.模型中考虑了抽拉速度、加热炉几何尺寸等影响,研究了2种抽拉速度下的温度分布.得到的温度采样点冷却曲线与实际冷却曲线进行了对比并得到了较好的结果.多叶片条件下,冷却区叶片靠近炉壁的温度低于同一水平线上靠近炉腔中心部分的温度.抽拉速度为7.0 mm/min时等温线的斜率高于抽拉速度为4.5 mm/min时的斜率.炉腔的几何尺寸对凝固过程温度分布有重要影响.     

抽拉速率对定向凝固高温合金DZ445微观组织和力学性能的影响

研究不同抽拉速率(4,5,7,9,10 mm/min)对定向凝固DZ445高温合金微观组织和力学性能的影响.结果表明:随着抽拉速率由4mm/min增加到10mm/min,一次枝晶臂间距λ<,1>和二次枝晶臂间距λ2逐渐减小,枝晶组织逐渐细化;枝晶干和枝晶间γ'相尺寸也逐渐减小,枝晶间γ'相的尺寸比枝晶干γ'相的大,这种差别随着凝固速率的增加而减小;合金元素的偏析随凝固速率的增大越来越严重;除抽拉速率为4 mm/min外,抽拉速率对DZ445合金室温拉伸性能影响不大;当抽拉速率太高或者太低时,合金650℃拉伸伸长率均明显降低;抽拉速率对合金的持久性能影响明显;当抽拉速率为7 mm/min时,合金的拉伸性能、持久性能和微观组织达到综合平衡,为最佳抽拉速率;DZ445定向柱晶合金比同成分K445等轴晶合金具有更好的室温和高温拉伸性能及持久性能.     

一种镍基单晶高温合金的高温度梯度定向凝固组织及枝晶偏析

采用双区加热和液态金属冷却法 (LMC) 相结合, 对一种含4%Re (质量分数) 的镍基单晶高温合金进行了高温度梯度定向凝固. 结果表明: 与传统的“ 高速凝固法 (HRS) ” (温度梯度G=20-40 K/cm, 抽拉速率V=50-100 μm/s, 一次枝晶间距 λ₁=200-400 μm)相比, 该技术可以显著提高凝固界面前沿的温度梯度 (G=238 K/cm) 和抽拉速率 (V=500 μm/s). 随着抽拉速率的提高, 凝固界面形态呈现出平面、胞状、粗大枝晶和细枝晶形态, 一次枝晶间距不断减小, 通过固态相变析出的γ' 强化相也被显著细化, 当G=238 K/cm, V=500 μm/s时, λ₁和枝晶干γ' 相平均尺寸分别减小到61.3和0.04 μm. 电子探针测定表明, 随着抽拉速率的提高, 枝晶偏析呈现先增大后减小的趋势. 这是高温度梯度条件下, 固相反扩散作用强烈影响元素在枝晶中分布的结果.     

LMC法定向凝固抽拉速率对DD488单晶高温合金组织和持久性能的影响

研究了液态金属冷却(LMC)法定向凝固抽拉速率对DD488单晶高温合金组织和980℃/250 MPa持久性能的影响。结果表明:增大抽拉速率能够显著细化合金的枝晶组织,减小铸态共晶含量和γ'相尺寸。同时,随着抽拉速率的增大,标准热处理后的γ通道宽度减小,γ'相体积分数增加。抽拉速率较小时(5 mm/min),合金980℃/250 MPa持久寿命为70.3 h,随着抽拉速率提高至8 mm/min,持久寿命增大到107.5 h。DD488合金持久寿命的提高得益于在较高的抽拉速率下合金标准热处理组织中的γ'相体积分数增加,γ通道宽度减小,并且共晶组织基本消除。     

单晶叶片模拟件制备过程中温度场的数值模拟研究

采用Pro CAST数值模拟软件研究了镍基单晶高温合金叶片模拟件制备过程中的温度场分布。结果表明,当抽拉速率V=100μm/s时,叶身等温线呈"下凹"状,且等温线向叶身较薄一侧倾斜;随着凝固过程进行,叶身等温线"下凹"程度逐渐增加。对不同抽拉速率条件下温度场分布的研究表明,随着抽拉速率增加,等温线的"下凹"程度逐渐增加,固液界面前沿液相的温度梯度逐渐降低。     

连铸法Gasar工艺中抽拉速率对多孔金属结构影响的理论分析

通过求解凝固界面前沿熔体中的溶质浓度场方程,从理论上建立了一个用于描述连铸法Gasar工艺中的工艺参数对藕状多孔金属结构平均孔径、孔间距以及气孔率影响的理论模型,并将抽拉速率对多孔金属结构的影响的理论预测结果与文献中相应实验结果进行比较,结果表明,理论预测结果与实验结果吻合较好.预测结果显示,平均孔径r_g和孔间距L随抽拉速率v的升高不断降低,但气孔率变化较小,它们之间存在着简单关系为:r_g~(1.72)·v=A和L~(1.72)·v=B(其中,A和B都是取决于气体压力pH_2和pA_r以及熔体温度T的常数)。     

抽拉速度对高温合金DZ125定向凝固中缩松的影响

研究了不同抽拉速度下镍基高温合金DZ125定向凝固试样中显微缩松的分布、变化规律.结果表明,在一定抽拉速度范围内(≤100μm/s),随抽拉速度增加,定向凝固试样中缩松水平降低.v=50μm/s时试样中缩松水平约为v=5μm/s时缩松水平的10%,v=100μm/s时试样中的缩松水平约为v=50μm/s时缩松水平的70%～90%.随抽拉速度增大,一次枝晶间距和二次枝晶间距减小,枝晶发生细化,抽拉速度对缩松水平的影响主要由枝晶间距的变化引起.     

半连续铸造铝合金圆锭冷却过程传热研究

通过试验法测定了铸造过程中φ100 mm的铝合金铸锭近表面的动态温度,采用逆向法计算出其水冷段的换热系数.结果表明,随着铸锭表面温度的降低,换热系数逐渐增大;在温度由400℃降至130℃的过程中,换热系数急剧增大,在130℃左右时达到最大,其最大值大约为23000 W/(m·K);当温度继续降低时,铸锭表面换热系数迅速减小.最后分析了换热系数变化的原因.     

压铸过程中铸件-铸型界面换热系数与铸件凝固速率的关系

在实际压铸实验的基础上,求解了铸件一铸型界面换热系数h与铸件凝固速率v的关系.结果表明,二者呈线性变化关系:h=kh-v·v+ω(其中,斜率kh-v为铸型初始表面温度及铸件厚度的函数,ω为常数);通过线性拟合确定kh-v和ω值,从而确立换热系数与铸件凝固速率的关系.这种关系同时适用于镁合金AM50和铝合金ADC12.