偏晶合金凝固过程及凝固组织控制方法研究进展

偏晶合金的应用十分广泛,其中许多具有重要的工业应用背景,但该类合金凝固时首先发生液-液相变,极易形成偏析严重乃至两相分离的凝固组织,因此其凝固过程研究与工业制备技术研发受到了严重限制。近年来,偏晶合金凝固理论受到材料科学领域的高度重视,为了深入研究偏晶合金凝固组织形成过程及演变规律,材料科学工作者分别在空间微重力条件下和地面重力场内对该类合金开展了大量凝固实验,探索了偏晶合金的常规凝固行为、快速凝固行为、定向凝固行为和连续凝固行为等,考察了微重力场、电场、磁场、离心力场、超声场等外场以及微合金化元素对偏晶合金凝固过程的影响,并结合实验对偏晶合金凝固组织形成过程开展了深入的建模与模拟研究,阐明了偏晶合金凝固机理及关键影响因素。综述了有关偏晶合金凝固研究的进展,介绍了本研究团队相关研究工作,并展望了未来偏晶合金凝固研究的方向。     

综论偏晶合金的制备技术:外场下凝固、快速凝固及激光技术

当偏晶合金液过冷至液相分离温度(Tsep)以下时,进入亚稳态难混溶区间,由单一液相分离成两个液相:L1(主体液相,质量分数大于50%)与L2(次生液相,收缩成液滴)。微观组织演化呈现三个阶段:(1)相分离自发进行阶段;(2)主体相合金熔体进入结晶过程;(3)残余的次生相合金熔体进入凝固阶段。尤其是当次生相凝固后弥散分布于主体相基体内时,偏晶合金具有高强、高导以及高耐磨性能,其在航空航天和汽车等工业领域具有重要的应用前景,长期以来受到了研究者的广泛关注。偏晶合金组织结构特征有两种,即第二相弥散型和核/壳结构型。然而,常规凝固条件下,制备的偏晶合金极易形成严重偏析或分层组织,导致制备大块匀质偏晶合金变得困难。为了深入研究偏晶合金液相分离行为,以及微结构特征对偏晶合金性能的影响,研究者提出了许多制备偏晶合金的方法。早在1958年,液相分离现象就在Cu-Fe偏晶合金中被发现,当即引起学者们的广泛关注。近年来,为了制备组织均匀和性能优异的偏晶合金,开发了许多外场作用下的偏晶合金制备方法,旨在消除常规重力场下熔体对流造成的凝固组织偏析、位错、空洞等缺陷。例如,在微重力场条件下,对流作用减弱,可制备接近无偏析的凝固组织;在电磁场条件下,实现了对材料工艺过程的控制和材料组织与性能的改善;在直流磁场和电场交互作用下,熔体流动得到抑制,实现了电磁搅拌控制凝固;在交流磁场和电场交互作用下,实现了电磁搅拌和电磁悬浮,达到减小偏析和改善组织结构特征的目的;在超声场作用下,实现了材料无容器凝固。此外,快速凝固是一个典型的非平衡相变过程,可以消除合金的溶质偏析,获得常规凝固条件下无法获得的成分、相结构和显微组织,显著提高合金的强度、塑性、韧性、延展性和磁性等。为深入了解各类偏晶合金的制备方法,本文主要从外场下凝固、快速凝固、激光技术角度综述了偏晶合金的各种凝固制备工艺和研究方法。     

微重力条件下偏晶合金的研究进展

介绍了重力对偏晶合金凝固过程的影响,综述了微重力环境下偏晶合金凝固研究中的新进展,总结了不同磁场模拟微重力环境下的实验研究成果,探讨了不同微重力条件制备偏晶合金的特点,指出了利用磁场制备偏晶合金的发展前景,最后提出了微重力条件下偏晶合金今后研究的方向和途径。     

磁场作用下偏晶合金凝固组织演变的数值分析

建立偏晶合金难混溶区凝固过程的两相数学模型,模拟研究了有、无磁场Al-10%Bi过偏晶合金微观组织演变,研究了温度、速度、第二相体积分数等物性参数对凝固组织宏观偏析的影响。结果表明,在磁场作用下温度场为中心对称分布,更有利于第二相液滴的均匀分布;电磁力抵消了部分重力和Marangoni力,使无磁场时外环流的速度场变为有磁场时斜向下的速度场,且速度明显降低,从而减轻了强对流导致的重力偏析;在磁场的作用下,试样底部第二相的体积分数减小,凝固组织宏观偏析得到改善。     

深过冷Cu-Pb偏晶合金的快速凝固行为和凝固组织

用熔融玻璃净化与循环过热相结合的方法,研究了亚偏晶Cu-25%Pb合金,Cu-37.4%Pb偏晶合金和过偏晶Cu-40%Pb(质量分数)合金过冷熔体凝固行为和凝固组织的演化规律,以及Cu-37.4%Pb偏晶合金的过冷度对磨损率的影响.研究表明:在过冷亚偏晶Cu 25%Pb合金熔体凝固过程中先形成α(Cu)初生相,随着过冷度的增大,凝固组织经历粗大枝晶重熔形成的细化枝晶向准球状晶粒演化的过程;在过冷Cu-37.4%Pb偏晶合金熔体凝固过程中初生相为L2相,当过冷度在20～150 K区间时,得到第二相S(Pb)弥散在α(Cu)枝晶间的凝固组织,并且在该过冷区间内随着过冷度的增加,材料的磨损率也逐渐降低;在过冷过偏晶Cu-40%Pb合金熔体凝固过程中初生相为L2相,在过冷度区间42～80 K时,得到以偏晶胞形式分布的凝固组织.     

Bi含量对Al-Bi偏晶合金显微组织演变的影响

结合数值模拟与实验研究了常规条件下Al-Bi偏晶合金难混溶区的凝固过程,分析了Bi含量对Al-Bi偏晶合金显微组织演变的影响。结果表明,成分为Al-10%Bi合金试样下部组织中富Bi液滴的平均直径和体积分数分别是成分为Al-5%Bi合金试样下部组织中富Bi液滴平均直径和体积分数的1.1倍和12.8倍,且Al-10%Bi合金试样下部聚集了大量的大尺寸富Bi液滴,其显微组织均匀性较差;成分为Al-5%Bi的合金试样中富Bi液滴的平均尺寸较小,显微组织较均匀;偏晶点成分的Al-3.4%Bi偏晶合金显微组织中无大尺寸富Bi液滴生成,显微组织均匀。分析表明,富Bi相含量的增加导致液滴受重力作用增强,加剧了难混溶区液-液相分离和分解的凝固行为,增大了富Bi液滴的尺寸和数量,液滴受到的Ostwald熟化和碰撞凝并的作用增强,促使大量的大尺寸富Bi液滴聚集在试样下部,加重了偏晶合金显微组织的宏观偏析。     

合金凝固微观偏析模型化研究进展

全面综述了合金凝固微观偏析模型化方面的研究,介绍了该领域内的代表性工作以及最新的研究进展,包括典型的二元合金微观偏析模型、多元合金偏析模型以及微观偏析模型化与相图计算耦合方面的工作。重点关注了枝晶形貌、固相反扩散、热力学数据获取效率等因素对微观偏析模拟的影响,并指出了该领域需要进一步研究的问题。     

快速凝固条件下Ni–Pb偏晶合金的组织演变机理研究

目的 研究过冷Ni–0.5%Pb(原子数分数)合金过冷组织的演化行为,阐明其组织演化和晶粒细化的基本机制。方法 采用熔融玻璃净化和循环过热方法制备出过冷度为0~255 K的试样,并结合枝晶生长的动力学–热力学模型,研究其深过冷快速凝固行为机制。结果 在0~255 K过冷度范围内,随着过冷度的增大,Ni–Pb偏晶合金的微观组织发生了2类晶粒细化现象,组织形态由粗大树枝晶向粒状等轴晶转变。结论 第1类粒状晶的形成是由于枝晶熟化和再辉重熔导致发达枝晶破碎,第2类粒状晶的形成是由于在应力和应变能的作用下,枝晶碎变和再结晶引起了晶粒细化。     

准晶相增强高性能镁合金的研究进展

综述了准晶相增强镁合金的制备方法,以及准晶相增强Mg-Zn-Y、Mg-Zn-Al的微观组织和性能特点,介绍了准晶相增强镁合金在国内外的研究及应用进展状况.已有的研究结果表明,钱合金中准晶相的存在对提高合金的室温和高温强度、改善合金塑性有明显作用.     

偏晶合金凝固制备方法的研究进展

偏晶系合金具有独特的物理和力学性能,是一类具有重要工业应用前景的合金,长期以来受到了广泛关注.系统介绍了偏晶合金的各种凝固制备方法和研究手段,总结了近期国内外在这一领域的研究新进展,着重介绍了强磁场下均质偏晶合金的制备技术,展望了利用强物理场制备大体积均质偏晶合金的前景,并指出了今后的研究方向.     

凝固过程中枝晶组织形貌演变模拟进展

详细地介绍了近年来在凝固组织模拟上取得的进展,并介绍了在组织模拟中所选用的各种模拟方法,逐个分析了各种方法的优势与不足,进而提出凝固组织的发展方向,即朝着大规模、多尺度方向发展,使得组织模拟能够逐步与实际结合起来.     

相场模型凝固组织模拟进展

本文对相场模型的物理本质、数值计算方法以及在凝固微观组织模拟中的应用和进展进行了综述，并指出相场模型凝固微观组织模拟的发展方向。     

焊接接头组织模拟进展

介绍了焊接接头组织模拟的现状,阐述了组织模拟的主要方法:Monte Carlo方法、Cellular Automaton方法及相场法,分析了不同方法在模拟凝固及固态相变过程中的晶粒生长、组织形貌和各相分数等不同方面的特点和存在的不足.     

Application of particle simulation methods to composite materials: a review

Particle simulation methods represent deformation of an object by motion of particles, and their Lagrangian and discrete nature is suitable for explicit modeling of the microstructure of composite materials. They also facilitate handling of large deformation, separation, contact, and coalescence. Mesh-free particle methods will thus be appropriate for a part of issues throughout the lifecycle of composite materials despite their high calculation cost. This study focuses on three particle simulation methods, namely, smoothed particle hydrodynamics, moving particle semi-implicit method, and discrete element method, and reviews approaches for modeling composite materials through these methods. Applicability of each method as well as advantages and drawbacks will be discussed from the viewpoint of engineering of composite materials. This reviewing study suggests capability of particle simulation methods to handle multiphysics and to predict various complex phenomena that necessitate explicit modeling of the material’s microstructure consisting of reinforcements (inclusions), matrix, and voids.     

数值模拟在整铸涡轮精密成形中的应用现状

随着计算方法和铸造工艺的发展,数值模拟技术在铸造领域中得到了广泛应用.涡轮作为发动机上的重要热端部件,其结构伴随着发动机的更新换代,向着精密化、轻量化、薄壁化方向发展,数值模拟技术也成为铸造工作者控制涡轮质量的重要手段.目前相关学者通过铸造模拟软件对涡轮精密成形的充型过程与宏观物理场结果进行分析,依据模拟结果来改善铸造工艺,从而提高涡轮质量.综述了数值模拟技术在整铸涡轮精密成形研究中的应用现状,详细介绍为了提高模拟效率,在几何建模、网格划分等前处理过程的注意事项,并分析涡轮铸件充型过程、温度场和应力场模拟结果对缺陷预测和工艺优化的作用,指出整铸涡轮微观组织模拟的发展方向与涡轮铸件数值模拟进一步发展需要解决的问题.     

Modeling creep damage based on real microstructure

This paper outlines a method to model creep failure of polycrystalline materials based on a real microstructure taken from an optical microscope. The creep failure is simulated in 304 stainless steel and the simulation is based on Norton’s creep law. By treating the grain boundaries and the grains differently and adopting the void nucleation process proposed by Shewmon, the creep strain energy density can be used as a failure criterion. The result of the simulation confirmed the results of conventional methods used in a high-temperature remnant life assessment. The intermediate results of the simulation process allow calculation/monitoring of stiffnesses degradation as the material undergoes creep failure.     

激光表面织构化对材料摩擦学性能影响的研究进展

总结了激光表面织构化技术的特点,并介绍了其在摩擦学中应用的现状,分别讨论了激光表面织构的不同几何形状、尺寸和织构密度等因素,以及织构引起的金属材料表面硬度的升高对摩擦学性能的影响,展望了激光表面织构化技术未来的研究和发展方向及应用领域,指出应加强理论模拟和计算研究,以期与实验研究相辅相成;实验研究应注重规律的摸索和总结;机理方面应深入研究织构引起的组织和力学性能变化的规律,及其对材料摩擦学性能、力学性能和化学性能的影响。     

耐蚀合金/碳钢热等静压扩散焊接反应层元素互扩散规律研究

利用动力学软件Dictra中的单相扩散模型模拟计算耐蚀合金与碳钢热等静压扩散焊接结合界面附近的元素浓度分布,并根据热力学相图计算建立获得扩散反应层内微观组织与界面元素浓度分布之间的关系.计算结果表明:该模拟方法能够准确描述热等静压扩散焊接过程中的元素浓度分布规律,同时能够预测扩散反应层内的微观组织变化.在此基础上,利用这一模型计算得出温度和时间对扩散焊接过程中元素互扩散规律的影响,结合元素扩散距离与界面结合质量之间的关系,得到耐蚀合金与碳钢可以实现界面良好结合的工艺条件:1050℃/200MPa/2.5～3h,1100℃/200MPa/1h,1150℃/200MPa/0.5h等.     

化学气相沉积法制备纳微ZnO的实验和模拟研究进展

纳/微氧化锌材料性能优良,用途广泛,制备方法较多,其中化学气相沉积法(CVD)是较常用的方法之一。详细介绍了CVD方法制备纳米氧化锌的主要影响因素,概述了计算流体动力学(CFD)模拟在化学气相沉积法方面的应用和研究现状,并指出应该采用实验研究和计算模拟相结合的方法进行研究,利用计算模拟指导实验,从而实现纳微结构的可控生长。     

铸造凝固组织模拟的图形显示策略研究

采用CellularAutomaon方法对Al-7%Si合金的微观组织进行了模拟计算,提出了从数字信息中提取晶粒轮廓的方法,并运用有关的图形学算法将晶粒组织在计算机上显示出来,采用黑白显示与彩色显示两种技术表达了模拟计算结果,开发了图象的放缩、编辑与晶粒度的计算等功能,使微观模拟的后处理模块能较好地满足研究的需要,并可与实际的合金相组织进行比较,以验模拟计算的准确度。