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.     

由实验相图和数值模型对Al-1.5Cu-3Zn合金凝固路径的预测

使用DTA和LMC定向凝固淬火技术分别确定了Al-Cu-Zn合金富铝角的液相面和固／液界面溶质分凝因数。基于一维平板模型的枝晶几何形状描述，使用数值模型计算了Al-1．5Cu-3Zn合金凝固过程中的液相浓度和平衡温度。发现在平衡凝固条件下，液相在α相区内结束凝固，Scheil非平衡凝固条件下的凝固过程在单变量线上结束，样品中初生晶相的含量为97．4％，非平衡共晶含量为2．6％；同时分析了液相混合条件对凝固路径的影响。     

冷速对Al-4.29Cu-1.09Mg合金凝固组织的影响

选取Al-4.29Cu-1.09Mg合金,采用石墨型、砂型、保温材料等3种铸型进行了凝固试验,采用扫描电镜、能谱分析等手段研究了不同冷速铸锭的凝固相组成与形貌、硬度、二次枝晶间距等。结果表明,随着冷却速率的提高,合金凝固组织的二次枝晶臂间距明显减小,硬度增大。在二次枝晶臂尺度范围内,砂型铸锭中Cu和Mg元素出现了明显的微观偏析,枝晶臂边缘成分明显高于枝晶臂中心,并发现Cu元素的偏析程度要大于Mg。     

强磁场对定向凝固Al-4.5Cu合金微观偏析的影响

研究了强静磁场对定向凝固Al-4.5Cu(质量分数,%)合金微观偏析的影响.结果表明,强磁场显著影响了凝固组织中非平衡第二相的形态和数量.无磁场时,粗大的第二相为网络状,连续分布于晶界上;施加磁场后,晶界上连续分布的第二相被打断,其面积分数随磁场强度的增加而减小.在磁场作用下,溶质原子的再分配行为发生改变,Cu溶质成分曲线降低,有效分配系数ke减小.上述现象主要是由于磁场在熔体中引发热电磁对流以及由热电磁对流驱动的二次流,在糊状区内产生搅拌,改变溶质传输行为.     

退火温度对Al-4.2Cu-1.4Mg合金的微观结构和力学性能的影响

针对航空用高强Al-4.2Cu-1.4Mg铝合金,研究了退火温度对微观组织结构、力学性能和疲劳裂纹扩展速率的影响。采用金相显微镜、扫描电镜和能谱分析手段对合金的微观组织和析出相种类进行了分析。结果表明:退火温度从380℃提高到440℃后,T3态板材中的晶粒尺寸不断细化,第二相Al2CuMg和Al2Cu的体积分数逐渐减少,因此疲劳裂纹扩展速率呈下降趋势。另外,随着中间退火温度的升高,成品板材的拉伸强度有少量降低,而伸长率则有所提高。     

Al-11.80Cu-24.22Mg三元包共晶合金的凝固机制

采用液淬方法对Al-11.80Cu-24.22Mg(质量分数,%)三元包共晶合金在不同温度下淬火,而后,对其相组成和凝固组织进行了研究,对凝固组织的演化规律以及凝固机制进行了分析.实验结果表明,该合金凝固过程中确实发生了三元包共晶反应,初生相为S相(Al_2CuMg),包共晶组织为α-Al相和T相(Al_6CuMg_4)组成,最终凝固组织由残余初生S相、包共晶组织(α-Al+T)、两相共晶(α-Al+T)及三相共晶(α-Al+T+β)组成;虽然包共晶组织中和两相共晶中含有相同的相,即α-(Al)相和T相,但二者的组织形态不同,包共晶组织呈条带状,而两相共晶呈规则的蛛网状和球状.此外,三元包共晶反应时,包共晶组织依附于初生S相的周围生长,随着冷却速率的增加,三元包共晶反应变慢甚至被抑制,致使初生S相剩余而滞留在基体中.     

冷轧方式和退火温度对Al-4Cu-0.73Mg合金织构和微观组织的影响

采用硬度测试、X射线衍射(XRD)、电子背散射衍射(EBSD)等方法研究了单向轧制、交叉轧制和退火温度对Al-4Cu-0.73Mg(wt%)合金织构演变和微观组织的影响。结果表明:单向轧制试样在100~300 ℃退火保温1 h后显示出明显的Copper织构{112} <111>、S织构{123} <634>和Brass织构{011}<211>,而交叉轧制试样表现出强烈的Brass织构和H织构{011}<755>。当退火温度高于300 ℃,单向轧制和交叉轧制试样中的变形织构逐渐沿α取向线转变为由P织构{011}<001>、L织构{011}<011>、E织构{111}<110>和R织构{124}<211>等组成的再结晶织构。单向轧制和交叉轧制试样的晶粒尺寸随退火温度的升高先增加后减小,均在350 ℃退火1 h后有最大晶粒尺寸,分别约为8.2 μm和11.5 μm。单向轧制和交叉轧制试样均在冷轧后硬度值最高,约为108 HV,之后硬度值随退火温度的升高而逐渐下降,两种轧制试样的硬度值最终均稳定在50 HV左右。总体来看,轧制方式对试样织构的影响比对力学性能的影响大。     

凝固路径对Al-4.5%Cu合金显微偏析参数影响的数值模拟

通过对Al-4.5%Cu合金铸锭显微偏析形成的数值模拟,研究了凝固路径对凝固后铸锭不同位置处显微偏析参数的影响.在显微偏析模型中考虑了树枝晶粗化、固相溶质逆扩散、枝晶尖端过冷、随温度变化的溶质扩散系数等影响显微偏析形成的动力学因素.数值方法中采用变网格技术跟踪移动界面,通过迭代求解溶质扩散方程和溶质守恒方程计算显微偏析参数.结果表明,对于Al-Cu合金,固相扩散主要由溶质扩散速率控制,而非局部凝固时间.显微偏析参数不仅取决于局部凝固时间,还要考虑凝固路径的影响.     

微量Zn对Al-4.2Cu-1.4Mg合金应力腐蚀与微观组织的影响

通过慢应变速率拉伸、动电位极化曲线测试、透射电子显微分析(TEM)、背散射电子衍射(EBSD)等实验较系统地研究了微量Zn对Al-4.2Cu-1.4Mg合金应力腐蚀与微观组织的影响规律。结果表明,微量Zn的添加显著影响合金的腐蚀性能,且随着Zn含量增加,合金的抗应力腐蚀敏感性以及其对应的开路电位均呈峰值变化,含Zn量0.29%合金的抗腐蚀能力最佳。EBSD研究表明,含0.29%Zn的Al-4.2Cu-1.4Mg合金与其它合金相比存在较多的低能量小角度晶界,这可能是微量Zn显著影响该合金抗应力腐蚀性能的主要原因。     

微量Ge对Al-1.5Cu-4.0Mg合金时效行为及微观组织的影响

采用显微硬度测试、拉伸实验、X射线衍射分析和透射电镜观察,研究微量Ge对低Cu/Mg比Al-Cu-Mg合金的时效特性及微观组织演变的影响.结果表明:在Al-1.5Cu-4.0Mg(质量分数,％)合金中添加少量Ge能加速合金的时效进程、提高合金的时效硬化和强化效果,添加0.25％Ge(质量分数)的合金时效强化效果优于添加0.5％Ge合金的;微量Ge的添加能促进Al-1.5Cu-4.0Mg合金中T相的均匀形核析出,并使之细小弥散分布;微量Ge能降低缺陷浓度,抑制S相非均匀形核,导致S相析出的体积分数略微减低.     

Al-7Si-0.3Mg合金凝固过程中微观气孔的形成和长大

本文以激冷方法对铝 7%硅 (Ａ35 6 )合金在凝固过程中微观气孔形成和长大进行了研究。其过程是对凝固过程具有不同数量固体部分的试样进行激冷 ,以便对冷凝当中的微观气孔所占百分比和微孔密度的变化跟踪观察。对 5种氢含量水平和 1项局部凝固时间 ( 2 1 5秒 )做了研究。实验结果表明气孔形成有两种模式 (相应于低和高的氢含量水平 )。同时亦显示在微观气孔开始形成时熔体所具有的固体部分的数量与氢含量无关 ,而微观气孔开始长大时该数量却与熔体中氢含量密切相关Al-7Si-0.3Mg合金凝固过程中微观气孔的形成和长大@M.Stucky…     

预变形对Al-4.5Cu-0.8Mg合金组织和性能影响

通过对挤压后的Al-4.5Cu-0.8Mg合金棒材进行变形量为0、2%和8%的预拉伸处理,然后进行人工时效处理,研究预变形对Al-4.5Cu-0.8Mg合金人工时效后的硬度、室温拉伸性能和显微组织的影响。结果表明,随着预变形量的增加,合金的时效响应加快,其强度达到峰值的时间逐渐缩短,且峰值强度明显提高。时效前的预变形处理能显著细化合金沉淀析出相,并随预变形程度的增加,析出强化相越弥散、越细小,这有利于阻碍位错的运动和提高合金的强度。     

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。     

时效时间对Al-4.5Cu-0.6Mg合金力学性能的影响

通过硬度测试和拉伸性能测试,研究了时效时间对热挤压Al-4.5Cu-0.6Mg合金力学性能的影响;利用SEM对Al-4.5Cu-0.6Mg合金拉伸断口形貌进行观察。结果表明:随时效时间的延长,Al-4.5Cu-0.6Mg合金的硬度和强度先增大后减小,断裂伸长率明显降低,其中在180℃时效10 h时,合金表现出良好的综合力学性能;固溶+时效态Al-4.5Cu-0.6Mg合金的断口呈现沿晶和穿晶混合断裂特征。     

基于Thermo-Calc及T-f_S-C_L耦合方法预测Biot≤0.1的合金凝固路径(英文)

将二元合金枝晶凝固传输模型及相应的T-fS-CL耦合求解方法扩展到描述多元合金在Biot≤0.1条件下的凝固。基于提出的扩展模型及算法,提出一种考虑传热影响的预测Biot≤0.1合金凝固路径及微观偏析的方法。该算法与Thermo-Calc热力学计算软件接口程序TQ6相耦合,用于实时计算每次迭代需要的热力学数据。Al-2Si-3Mg三元合金实例计算证实提出的模型及算法和凝固路径与微观偏析预测方法的实用性与可靠性,Al-5.17Cu-2.63Si三元合金凝固实验结果与预测结果的取得较好的一致性。     

定向凝固Ti-46Al-8Nb合金的微观组织演变与微观偏析(英文)

在3～70μm/s的生长速度范围内对Ti-46Al-8Nb(摩尔分数,%)合金进行定向凝固实验,研究其微观组织演变和微观偏析形式。在该生长速度范围内,固-液界面表现为规则的枝晶生长,一次枝晶间距随着生长速度的加快而逐渐减小。在定向凝固过程中观察到典型的L+β→α包晶反应,最终得到具有α2/γ层片和B2相的微观组织。在各个晶粒中,层片与β相枝晶初始生长方向呈0°或45°。包晶反应导致严重的成分偏析,在凝固过程中,铝富集在枝晶间,铌富集在枝晶心部。随着α相的形核和生长,铌的偏析程度逐渐增大,从而促进B2相的析出,而富集在枝晶间的铝在包晶反应发生后逐渐变得均匀、一致。     

三元合金单相凝固路径的统一解析模型

基于合金枝晶凝固微观偏析统一模型,导出一种新的描述三元合金单相凝固路径的解析模型.该模型具有统一性,不仅可涵盖平衡、非平衡和准平衡3种极限凝固路径模式,而且可考虑任意凝固相的反扩散、冷速和枝晶几何形貌等因素的影响.通过对Al-1.0Cu-6.3Mg,Al-1.49Si-0.64Mg和Al-1.49Si-2.90Mg(质...     

Al-25Cu-12Mg合金的高温氧化行为研究

采用X射线衍射技术、扫描电子分析等分析方法,对Al-25Cu-12Mg合金的高温氧化行为、氧化层的形貌和成分进行了分析。结果表明,Al-25Cu-12Mg合金在同一温度下进行高温氧化,随氧化时间增加,氧化增重不断增加;在氧化时间相同时,随氧化温度升高,氧化增重显著增加。Al-25Cu-12Mg合金在温度较低时,样品基本上不氧化,只在样品表面形成一层氧化膜,阻止样品继续氧化;在温度较高时,随氧化时间的延长,样品表面形成的氧化膜遭到破坏,氧化膜破裂剥落,已不能阻止样品的继续氧化。     

微量Li、Zn对Al-4.2Cu-1.4Mg合金疲劳性能与微观组织的影响

通过断裂韧性测试、疲劳裂纹扩展速率测试、金相分析、透射电子显微分析(TEM))等研究了微量Li、Zn对Al-4.2Cu-1.4Mg合金疲劳裂纹扩展速率与微观组织的影响。结果表明,共同添加Li、Zn时能明显提高合金Al-4.2Cu-1.4Mg的断裂韧性,并降低合金的疲劳裂纹扩展速率。当同时添加少量Li和Zn时,少量Li和Zn的共同作用能使合金中的过剩相和弥散相数量、尺寸减小,分布趋向均匀。这是影响该合金疲劳性能和断裂韧性的微观机理。     

Al-40Cu合金定向凝固铸锭的宏观偏析研究

通过Al-40Cu过共晶合金在10μm/s的凝固速率下定向凝固,得到了4mm×120mm铸锭。采用光学显微镜、成分分析等手段研究了定向凝固铸锭不同部位的凝固组织、宏观偏析等。结果表明,Al-40Cu合金在10μm/s的定向凝固速率下,铸锭沿生长方向存在凝固组织从有大量初生Al2Cu相到初生Al2Cu相消失转变。这是因为合金中液相的流动造成了Cu元素轴向宏观偏析,利用Scheil方程和BH模型进行了理论计算,试验结果与理论值基本一致。