高温合金电磁成形定向凝固柱状晶组织及形成条件

研究高温合金电磁成形定向凝固柱状晶组织及其形成条件的结果表明,①电磁成形中熔体下固/液界面处温度场近一维分布,获得了柱状晶组织;②电磁成形高温合金样件具有间断迹象的定向胞晶组织;③给定其他条件后,电磁成形过程中不同形状、尺寸的样件熔体平直固液界面开始出现下凹的临界凝固速率具有不同的特定值。在相同凝固速率条件下,大尺寸样件的固液界面更容易出现下凹。     

过冷熔体定向凝固过程枝晶生长的相场法模拟

利用二元合金相场模型与溶质场进行耦合计算，以Al-4．5％Cu合金为例模拟了二元合金定向凝固的枝晶生长过程。研究了不同过冷度下二元合金过冷熔体定向凝固时枝晶的演化过程及其溶质场的分布情况。结果表明：利用相场模型可以逼真地模拟枝晶的生长过程，以及界面形貌从平界面向柱状晶生长的转变，可再现枝晶演变过程中相互之间的竞争生长和熔合现象。     

定向凝固微观组织相场法模拟进展

凝固过程中固液界面形态对凝固组织有着决定性作用,针对微观组织数值模拟研究,相场法可以很好地展示凝固过程固液界面形态的演变.在调研和查阅了大量资料的基础上,着重介绍了相场法数值模拟的基本原理及其在定向凝固的微观组织模拟国内外研究概况;最后,分析了相场模型的不足并指出了该领域研究中亟需解决的问题及其发展方向.     

定向凝固微观组织的相场法模拟研究进展

定向凝固过程中的界面形态对凝固组织有着决定性作用，相场法可以很好地展示凝固过程界面形态的演化。阐述了二元合金定向凝固相场方法数值模拟的基本原理及国内外研究现状，以Ni-Cu二元合金为例，采用相场法模拟了定向凝固过程中界面形态的演化，并指出该领域目前所面临的问题及进一步的研究方向。     

Ni-Cu二元合金定向凝固的相场法数值模拟

采用相场方法对二元合金的定向凝固进行二维数值模拟,以Ni-Cu合金为例,展示了界面形态的演化过程,研究了相场参数对界面形态的影响.结果表明,随着界面厚度的减小,晶体生长形态由胞晶转变为树枝晶,尖端速度增大,但其稳定性下降;各向异性系数越小,尖端生长速度越小,越易于侧向分支的生长,形成胞状枝晶;热扰动幅值α对界面形态也有重要影响,当a取值适当时,便引发侧向分支,形成胞状枝晶,同时尖端速度也受到影响.     

Ni-Cu二元合金定向凝固的相场法数值模拟

采用相场方法对二元合金的定向凝固进行二维数值模拟,以Ni-Cu合金为例,展示了界面形态的演化过程,研究了相场参数对界面形态的影响.结果表明,随着界面厚度的减小,晶体生长形态由胞晶转变为树枝晶,尖端速度增大,但其稳定性下降;各向异性系数越小,尖端生长速度越小,越易于侧向分支的生长,形成胞状枝晶;热扰动幅值α对界面形态也有重要影响,当a取值适当时,便引发侧向分支,形成胞状枝晶,同时尖端速度也受到影响.     

过冷定向凝固Ti-44Al合金微观组织的相场法模拟

采用相图计算热动力学模型构造凝固体系的自由能,通过相场法模拟了Ti-44Al合金在过冷定向凝固条件下微观组织演化,观察到胞/枝晶共存的微细结构的形成。对胞/枝晶尖端温度场分析表明,结晶潜热的释放导致“领先臂“尖端的固相前沿出现局部正温度梯度有利于这种结构的形成。同时考察了“领先臂“尖端的溶质场分布并计算了溶质分配系数。模拟结果与试验结果有可比性,与理论结果相符合。     

Mo粉末烧结过程的相场模拟

采用相场法模拟了表面扩散和晶界扩散机制共同作用下的四球模型和五球模型中Mo粉末压坯微粒间烧结颈长大以及孔隙的演化过程。数值模拟引入了Cahn-Hillard(CH)方程控制的相对密度场和Ginzburg-Laudau(TDGL)方程控制的长程取向场参量,并采用半隐傅立叶谱方法对上述方程进行了求解。模拟结果表明,表面扩散是Mo粉末烧结过程的主导扩散机制;压坯致密度越高,烧结完成的时间越短。     

Ti-43Al合金定向凝固的相场法模拟

基于WBM模型,耦合热力学数据库,建立了相场模型,模拟了Ti-43Al合金L→β定向凝固过程中微观组织的演化.讨论了相场参数以及凝固参数对界面形态的影响.结果表明,各向异性系数越小,尖端生长越慢,侧枝生长相对容易,易于形成胞状晶;减小界面厚度,溶质易于在胞晶间凹槽处富集,导致浅胞状枝晶向深胞状转变;随温度梯度增大,界面形 态的演化模式为:深胞-浅胞-平界面.     

电工钢中柱状晶尺寸及退火工艺对{100}织构的影响

利用EBSD技术研究了电工钢中不同的柱状晶尺寸及退火工艺下{100}织构的演变规律.结果表明,初始晶粒尺寸的影响最显著.细小柱状晶热轧后经过常化处理,组织已均匀,但中心层有强{100}织构.粗大柱状晶中{100}织构的遗传性强,常化及中间退火后,中心层仍有粗大的以{100}取向为主的晶粒;脱碳退火后才能完成组织均匀化和织构梯度的弱化.常化时的升温速度也对织构演变存在影响,低的升温速度有利于{100}织构的保留,但升温速度的影响没有初始晶粒尺寸及退火次数的影响显著.细小柱状晶样品经过热轧及三次退火工艺适合制备取向电工钢.     

合金定向凝固相场模型数值模拟的发展

综述了相场模型在模拟合金定向凝固过程中的应用。将合金定向凝固中的两个重要参数(生长速度和温度梯度)从理论角度计算得到的数值应用在模拟过程中,把模拟结果与理论结果进行对比得到结论,同时在模拟过程中采用温度冻结近似以简化计算。     

气孔与晶界相互作用的相场模拟

对现有的气孔与晶界相互作用的相场模型进行改进,提出了新形式的自由能密度函数,并采用了张量形式的扩散系数。分析了相场模型中唯象参数的选择依据,并讨论了模型中界面能和界面宽度等物理参数的影响因素。气孔和晶界相互作用的相场模拟结果表明:晶界的曲率是晶界移动的动力,而气孔是晶界移动的阻力;当气孔施加的最大阻力大于等于晶界移动的动力时,气孔会随晶界一起运动;而当气孔施加的最大阻力小于晶界移动的动力时,气孔与晶界分离。若气孔与晶界未发生分离,体系的演化将由晶界主导转变为气孔主导,演化速率显著下降。含气孔UO₂多晶体系的晶粒生长的相场模拟结果表明:气孔率越大,晶粒生长速率越慢;UO₂平均晶粒直径与时间成幂函数关系,幂指数随气孔率的增大而增大。     

晶体相场模拟晶界预熔及熔化

利用晶体相场模拟晶界的预熔以及熔化现象,研究不同取向差角度时,预熔及熔化的微观组织形貌,并且采用过剩质量方法定量计算预熔及熔化时晶界处液相薄膜宽度.研究表明,在接近熔点时,晶界处预先出现一层液相薄膜,液相膜的形态与晶界处的取向差角度有关.当取向差角为大角晶界时,液相膜沿晶界均匀稳定分布;当取向差角为小角晶界时,若干由液相区包围的独立位错均匀分布在晶界处,随着温度逐渐接近熔点,晶界处发生结构转变:独立位错两两合并,原来小的液相区也相应合并成为较大的"液相池".这种结构转变不仅出现在预熔时,而且发生在过热状态下,在液相宽度曲线图上表现为宽度"跳跃"性增大.同时,晶体相场模型计算得到的临界润湿角θ_c为12°,较Read-Shockley理论所得的数值更接近实际结果.     

连续柱状晶组织纯铜管的制备工艺及组织分析

结合连续定向凝固技术和真空熔炼技术,在自制的连铸设备上研究了铜管的制备工艺.结果表明:当熔炼温度为1 120～1 165℃,牵引速度为20.3～29.4 mm/min,喷水量为1 000 L/h,真空度为6.6～10 Pa时,可得到表面光滑、具有连续柱状晶组织的纯铜管材,并对其组织演变过程进行了分析.     

小角度非对称倾侧晶界形貌和变形的晶体相场模拟

采用双模晶体相场模型,计算了二维正方相相图,并以正方相为研究对象,在原子尺度上,模拟了小角度非对称倾侧晶界结构及变形过程。结果表明,小角度非对称倾侧晶界由刃型位错和刃型位错组构成;在外加应力作用下,位错先于位错组滑移并进行短程的攀移,最后合并,位错组分离为滑移方向相反的2个刃型位错并最终与其它晶界位错组分离出的异号刃型位错合并,完成晶粒的合并。     

合金微结构的微观相场法模拟

摘 基于相场法理论，详细介绍了二元及三元合金体系的微观相场法动力学模型。指出了在微结构模拟研究方面，微观相场动力学模型具有的独特优越性：该模型可基于原子层面研究合金的沉淀机制：获得清晰、直观的原子显微形貌；描绘出合金的有序化、成分簇聚等过程，并能清晰地模拟出三元合金中原子的替代规律。同时，阐述了相场法在二元、三元合金微结构模拟研究中的应用和发展。     

合金微结构的微观相场法模拟

基于相场法理论,详细介绍了二元及三元合金体系的微观相场法动力学模型。指出了在微结构模拟研究方面,微观相场动力学模型具有的独特优越性:该模型可基于原子层面研究合金的沉淀机制;获得清晰、直观的原子显微形貌;描绘出合金的有序化、成分簇聚等过程,并能清晰地模拟出三元合金中原子的替代规律。同时,阐述了相场法在二元、三元合金微结构模拟研究中的应用和发展。     

相场法模拟凝固微观组织演化研究进展

相场法是凝固组织模拟中最有潜力的方法之一,近年来已成为凝固领域研究的热点.本文论述了相场法模拟凝固微观组织的原理,并分别介绍了无流动和流动条件下相场法模拟自由枝晶、定向凝固界面及小平面枝晶在国内外的研究进展,指出了进一步的研究方向.     

晶界位错运动与位错反应过程的晶体相场模拟

采用晶体相场模型模拟了小角度对称倾转晶界结构及其在外加应力作用下的晶界演化消失过程,从位错的运动形式和体系自由能的变化,分析晶界的消失过程和位错的反应机理,并计算了位错分解的激活能.研究表明,具有二维三角晶格原于点阵结构形成的小角度对称倾转晶界是由配对的双位错按直线规则排列构成,可以看成由2套位错Burgers矢量组成.晶界的消失演化过程主要分为6个特征阶段,包括如下几方面的特征过程:首先晶界位错攀移,然后发生位错分解,晶界发射位错,位错由攀移运动转化为作滑移运动;接着滑移位错穿过晶粒内部,直到对面晶界上湮没,即被品界吸收与合并:剩余的晶界位错继续作攀移运动,然后又出现位错分解,晶界再次发射位错,使得位错转为作滑移运动,与其它作滑移运动的位错在晶内相遇湮没消失.最后,所有晶界和位错全部消失,双晶结构变成为完整的单晶结构.应用三角晶系的点阵位错的2套基本Burgers矢量的组合,可以有效地表示位错的发射、分解、合并、吸收、湮没的反应过程,并能够揭示出这些反应过程的新Burgers矢量的产生和原有的Burgers矢量的消失,以及Burgers矢量方向发生变化的机理.     

半固态合金球状组织形成过程的相场法模拟

采用耦合溶质场和流场的相场模型,模拟了半固态金属材料(Al-2.0mol%Si合金)成形过程中微观组织的演变,分析和讨论了扰动强度对微观组织演变的影响。结果表明:随着浓度扰动的增加,二次枝晶臂越来越发达,枝晶形貌由树枝状逐渐变成蔷薇状,并向近似的球状组织发展;在扰动强度达到0.4时,枝晶基本上趋于球形生长,枝晶生长前沿溶质扩散层的厚度也趋于一致。模拟结果与半固态组织的成形机理基本一致。