铝合金铸件定向凝固过程的数值模拟

为了研究铝合金定向凝固组织的变化规律，采用有限元软件ProCAST对Al Si Cu合金定向凝固过程进行模拟,分析了不同浇注温度和抽拉速率对铸件定向凝固过程中的温度梯度、固液界面前沿、糊状区宽度、枝晶生长速率和二次枝晶臂间距的影响。结果表明，当浇注温度越高时，温度梯度越大，而固液界面前沿下凹越小，糊状区宽度也越窄，从而越有利于顺序凝固的发生；随着抽拉速率的增大，枝晶生长速率先增大后减小,当抽拉速率为200 μm/s时，最大生长速度达到0.093 mm/s，铸件凝固组织最佳；当抽拉速率大于300或小于200 μm/s时，都会导致枝晶生长速率缓慢，枝晶生长不平稳，二次枝晶臂粗大。对模拟得到较优的工艺参数进行试验验证，可以制备出具有较好力学性能的铸件。     

抽拉速率对高温合金叶片定向凝固组织的影响

采用以液态金属锡作为冷却介质的定向凝固设备,研究了五种不同的抽拉速率对叶片定向结晶组织的影响。结果表明抽拉速率对高温合金叶片的定向结晶组织具有重要的影响,抽拉速率为6mm/min时,可保证叶片的良好成形,定向柱晶挺直,晶粒沿竖直方向排列整齐,晶粒大小均匀。抽拉速率增大,合金组织细化,枝晶间距变小。     

抽拉速率对Co-Al-W高温合金定向凝固生长取向的影响

对Co-9Al-9W-0.1B合金在不同抽拉速率下进行定向凝固,观察其凝固显微组织,并利用电子背散射衍射检测其晶粒生长取向。当抽拉速率为20mm/h和60mm/h时,合金凝固界面前沿分别为平面状和胞状,晶粒生长取向均接近〈101〉方向。随着抽拉速率增大,合金凝固界面前沿转变为枝晶状;当抽拉速率为180mm/h时,晶粒生长取向为〈013〉方向;当抽拉速率为360mm/h时,晶粒生长取向偏离〈101〉方向约30°。Co-9Al-9W合金在抽拉速率180mm/h的定向凝固中,经过一段竞争生长后择优取向为〈001〉。由于缺少硼化物强化晶界,Co-9Al-9W合金蠕变强度相比同速率下定向凝固的Co-9Al-9W-0.1B合金较差。经过抽拉速率为180mm/h的定向凝固后Co-9Al-9W-0.1B合金具有柱状晶组织,其蠕变强度高于具有等轴晶组织的Co-9Al-9W-0.1B合金。     

Nb30Ti35Co35合金定向凝固组织演化和显微硬度研究

三元以及多元合金凝固过程中,多组元间相互耦合和溶质再分配造成其凝固路径及其组织异常复杂,到目前为止尚未建立起完整统一的三元共晶凝固理论模型,凝固组织和机械性能的本质关系亟待研究。基于此,针对Nb₃₀Ti₃₅Co₃₅共晶合金(实测Nb₃₁Ti₃₄Co₃₅)开展了不同抽拉速率(v=3,5,15,30,70μm·s^-1)下的定向凝固实验研究,测量其显微硬度(H),旨在探索不同抽拉速率下合金的微观组织演化规律,并构建组织和性能之间的关系。结果表明：除极少量初生α-Nb外,常规铸态合金几乎完全由共晶(α-Nb+TiCo)组织构成,相类似地,定向凝固合金组织中也含有相同的组织类型(少量的Ti₂Co除外),即初生α-Nb和共晶(α-Nb+TiCo)组织;随着抽拉速率的逐渐增加,初生相α-Nb依次经历了“圆球状→团簇状→枝晶状”的转变,稳态生长区内共晶组织逐渐粗化,共晶排列不规则且相间距明显变大,淬火界面失稳并依次经历胞状界面到...     

交变磁场作用下特种合金的凝固特性

以高温合金(K403)为实验材料,对中、小尺寸特种合金在交变磁场作用下成形过程的凝固特性进行研究,以期加深对凝固组织细化机理的认识,进而实现对凝固组织的优化控制。在研究过程中首先试验、研究了高温合金无接触和软接触电磁成形的凝固特性,探讨了电磁致流、磁化套以及抽拉速度对凝固组织的影响,进而分析了该特种合金电磁成形凝固组织的细化机理。结果表明:使用磁化套可以获得平直、细化的定向枝晶组织;在该文实验条件下,当抽拉速度为9.8mm/min时,一次枝晶间距能减小到80μm;电磁致流导致二次枝晶臂脱落是无接触电磁成形凝固组织细化的主要机理,而枝晶尖端开裂是软接触电磁成形凝固组织细化的主要机理。     

拉晶速率对单晶高温合金高温持久断裂行为的影响

研究了不同拉晶速率下制得的镍基单晶高温合金高温持久变形行为，结果表明，随拉晶速率增加，单晶合金的凝固界面由平面向胞状，枝状转变，持久延伸率减少，持久寿命有增加的趋势；高温持久断裂形式由典型的韧窝断裂转向混合断裂，二次裂纹增多，持久变形时的γ’筏形完善性增加，位错网间距减小。     

工艺因素对82B钢280 mm x325 mm铸坯凝固过程的影响

为模拟不同工艺条件下的连铸坯的凝固过程,采用有限元法模拟了82B钢连铸的凝固过程,获得280 mm×325 mm连铸坯的温度场。结果表明,随拉速从0.60 m/min增加到0.76 m/min,凝固时f_s=1处与f_s=0处皆后移,但中心凝固时间反而增加了9.8%。随过热度由15℃增加到50℃时,凝固末端f_s=1处同样后移,约后移1.1 m。根据模拟结果改进连铸工艺,当拉速从0.60 m/min增加到0.76m/min,增加轻压下工艺可改善低倍质量。     

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。     

定向凝固技术

该技术首先应用于生产高温合金(例如MarM002和MD200S)涡轮叶片。普通精密铸造涡轮叶片在高温应用时,蠕变裂纹是在垂直于主应力方向的那些晶界上开始产生,因此,从涡轮叶片的叶冠到叶根形成一束晶粒就消除了垂直于主应力方向的横向晶界,提高涡轮叶片的蠕变寿命。为产生定向晶粒组织,凝固模内必须保持液—固相界面为垂直于凝固方向的宏观平面,通过沿平行于要求的品粒生长方向使熔融铸造合金散热可达到上述目的。目前的生产方法是采用由炉内拉出凝固模,使已加热到液相线温度以上的熔体在模内逐步凝固。Rolls-Royce定向凝固炉包括熔化室、铸模室和拉出室三个部分。     

多晶硅生长过程固液界面、应力、位错及熔体流动的变化规律

定向凝固（DS）法生产的多晶硅锭是光伏产业最基础、最主要的功能性材料之一，但实际生产中多晶硅复杂的工艺仍需进行优化。采用有限体积法对定向凝固法多晶硅生长过程进行瞬态全局模拟，数值模拟过程中将温度场、应力场和流场进行耦合，以研究多晶硅生长过程中固液界面波动率、硅锭内应力、位错密度以及硅熔体流动的变化规律。结果表明，长晶初期固液界面波动率较大，为29.83%，而长晶中期和末期界面波动率仅为6%和3.434%；且熔体流速也对固液界面影响较大，通过降低靠近固液界面处的熔体流动速度有利于形成平坦的固液界面；在生长过程中硅锭中最大位错密度和最大应力值随长晶时间变化趋势大致相同，控制和优化长晶后期的工艺参数可以有效减少多晶硅生长过程中应力值和位错密度，为多晶硅定向凝固过程预测和控制提供一定的理论支持。     

高强钢板坯凝固过程模拟与工艺优化

以凝固参数测定和铸坯表面温度测量结果为验证边界条件，应用ProCAST软件对960QT钢板坯连铸过程中的传热和凝固过程进行了模拟，分析了拉速、过热度对铸坯温度场、液芯长度的影响，得出在拉速为0.9 m/min，过热度为23℃工况下，960QT板坯的凝固终点位置距离弯月面18.43 m；在浇注温度为1 535℃时，拉速每增加0.1 m/min，凝固末端位置向后移动2.7 m左右；在拉速为0.9 m/min时，过热度每增加10℃，凝固末端位置向后移动0.4 m左右。此外，对轻压下系统的压下位置和压下量进行了优化，由3个扇形段压下改为2个扇形段压下，6、7段压下量改为2.0、2.5 mm。工艺优化后，铸坯中心偏析和中心疏松得到明显改善，中心碳偏析指数由1.85降至1.09。     

钴基合金DZ40M的高温氧化激活能

DZ40M合金是一种定向凝固钴基高温合金.本文测定了该合金在900和1000℃两个温度下的空气氧化增重动力学数据,通过线性处理得到了其不同温度下的氧化速率常数.根据氧化速率常数的Arrhenius关系,即可得出该合金在高温环境中的氧化激活能,其值约为563858 J·mol-1.还在此基础上进一步获得了关于该合金的抛物线氧化速率常数的具体表征.     

基于Fluent对水平连铸结晶器温度场分布及传热的研究

以水平连铸圆坯连铸生产工艺为研究对象,采用Fluent数值模拟软件凝固传热模型并结合射钉试验共同研究了管坯在不同拉坯工艺条件下,结晶器内的温度场分布与凝固传热过程,并对不同拉坯参数下铸坯试样进行了检测分析。研究发现：水平连铸拉坯工艺参数：拉速V=2．13m／min,浇注温度T=1544℃,中间包过热度△T=40℃的拉坯参数下,结晶器内的温度场分布均匀稳定,铸坯质量好,产量高。研究表明,采用Fluent数值模拟软件凝固传热模型并结合射钉试验可以有效分析在不同拉坯工艺条件下水平连铸结晶器内的温度场分布及凝固传热过程,并进一步制定合理的拉坯工艺参数,降低管坯质量缺陷的发生,提高铸坯质量。     

水平连铸36Mn2V凝固传热过程的Fluent数值模拟

以水平连铸36Mn2V圆坯结晶器内温度场分布为研究对象,采用Fluent数值模拟软件凝固传热模型并结合射钉试验共同研究了36Mn2V管坯在不同拉坯工艺条件下,结晶器内36Mn2V钢液温度场分布及凝固传热过程,并对不同拉坯参数下铸坯试样进行了检测分析.研究发现:水平连铸拉坯工艺参数:拉速V=2.2(m/min),中间包过热度ΔT=38℃的拉坯参数下,结晶器内的温度场分布均匀稳定,铸坯质量好,产量高.研究表明,采用Fluent数值模拟软件凝固传热模型并结合射钉试验可以有效分析在不同拉坯工艺条件下水平连铸结晶器内的温度场分布及凝固传热过程,并进一步制定合理的拉坯工艺参数,降低管坯质量缺陷的发生,提高铸坯质量.     

新型镍基粉末高温合金热挤压工艺有限元模拟与实验验证

采用有限元模拟的方法对一种新型镍基粉末高温合金热挤压工艺进行了优化设计,分析讨论了几种主要参数对热挤压结果的影响,并通过热挤压实验验证了有限元模拟的可靠性。结果显示,在热挤压过程中,坯料初始温度对应力和温度影响显著,对应变速率和应变无明显影响;挤压杆速度是调整应力和应变速率的重要参数;采用较小的模角（小于45.0°）可以使应力、应变速率、应变和温度分布的均匀性大幅度提高,有效避免挤压棒材开裂和保证显微组织均匀性。由模拟结果推出的主要热挤压参数为:坯料初始温度1100℃,挤压杆速度40 mm·s-1,模角40.0°。将推荐的参数用于热挤压实验,结果证明了有限元分析结果准确,热挤压参数合理。     

高频燃烧红外吸收法测定镍基高温合金中碳的助熔剂影响探讨

对高频燃烧-红外吸收法测定镍基高温合金中碳的实验条件进行了探讨,并考察了助熔剂的种类、加入方式、用量以及样品称样量对测定的影响。实验表明:添加0.4 g铁助熔剂与1.2 g钨锡助熔剂于试样底部时,样品燃烧情况最佳;称取0.5 g试样,既能防止样品燃烧溢出,又能保证样品有代表性。方法的测定范围为0.000 5%～0.23%,测定下限为0.000 5%。采用实验方法分析普通精密铸造合金、变形高温合金、定向凝固高温合金等不同工艺制备的镍基高温合金以及其他镍基合金,测定值与认定值相符。将实验方法应用于镍基高温合金标准样品和实际样品中碳的测定,结果的相对标准偏差(RSD,n=8)为0.16%～3.3%。     

定向凝固NdFeB永磁合金中包晶相的取向生长研究

选取NdFeB稀土永磁合金作为研究对象,采用Bridgman定向凝固工艺,将Bitter粉纹磁畴图像与X射线衍射分析方法相结合,系统研究定向凝固过程中金属间化合物包晶相Nd2Fe14B(T1相)的生长形态及取向变化规律。研究表明:定向凝固过程中包晶T1相的形态及择优生长方向与合金成分及凝固速率有关。凝固速率较低时(小于10μm·s-1),包晶T1相以典型的小平面方式生长,表现出强的晶体学特性。随着凝固速率增大,T1相晶粒逐渐细化,T1相生长界面出现粗糙化趋势;Nd11.76Fe82.36B5.88合金在1μm·s-1凝固速率下,T1相的易磁化轴[001]方向几乎沿热流方向,这与T1相沿a轴[100]方向择优生长的传统解释有很大不同;Nd13.5Fe79.75B6.75合金中T1相的轴向择优取向随凝固速率的增加逐渐偏离c轴而转向a轴,其原因可能是凝固速率的增加引起T1相沿[100]和[001]方向的生长驱动力即生长速率的改变。     

高速连铸结晶器内凝固传热行为及其均匀性控制

从分析高拉速包晶钢板坯连铸结晶器内凝固传热行为特征入手,首先阐明拉速对结晶器内的界面热阻、凝固坯壳的温度与应力分布的影响规律,研究发现拉速超过1.6 m·min?1时,界面热阻明显增加,拉速由1.4 m·min?1提升至1.6 m·min?1和1.8m·min?1时,出结晶器坯壳厚度相应减少约10%,其发生漏钢的危险不断增加;在此基础上,阐述了结晶器的内腔结构、保护渣、振动与液面控制等控制结晶器内坯壳凝固均匀性的相关技术。要实现高速连铸,首要应考虑结晶器内腔结构的优化设计,使其能更好地迎合凝固坯壳的生长,研制适合包晶钢等凝固特点的专用连铸保护渣至关重要,铸坯鼓肚控制也是保障高拉速液面稳定的关键。      

电渣重熔GH984G定向凝固组织CAFE法模拟

 电渣重熔凝固组织的控制直接关系到高温合金的品质与实际生产应用。针对电渣重熔GH984G的定向凝固过程,同时考虑传热和溶质扩散,基于CAFE法与C语言结合,建立了三维电渣重熔凝固过程组织演变的CAFE模型,并对凝固过程温度场和凝固组织演变进行模拟预测。结果表明,铸锭温度场和熔池深度都是首先为较浅平状态,然后不断加深至最后稳定;在电极熔化初始,金属熔池浅平,枝晶生长方向是竖直向上,之后金属熔池不断加深,底部竖直向上的柱状晶方向变为斜向上约26°。同时在铸锭的中心线上出现了等轴晶,等轴晶形核长大后与柱状晶镶嵌生长。此外,随着电极熔速变大,渣金界面上涨速度也随之变大,且熔池深度相应变宽变深。模拟结果与试验结果基本吻合,从而验证了模型与形核参数的适用性。     

杂质元素含量对定向凝固镍基高温合金DZ125L微观组织及铸造性能的影响

采用金相显微镜、扫描电镜(SEM)、初熔实验等方法对不同杂质元素含量的定向凝固镍基高温合金DZ125L微观组织和铸造性能进行了详细的分析。研究结果表明,杂质元素含量较高的合金中显微疏松、夹杂数量增多,且会导致合金中大量生成以氮化物或氧化物为核心的碳化物;杂质元素含量的升高会导致DZ125L合金初熔温度的降低,并会导致合金的铸造工艺性能变差,热裂倾向性明显增加。