Al-Cu合金水平单向凝固组织预测及实验观察

使用有限元耦合元胞自动机模型预测水平单向凝固实验中 Al-4.5%Cu(质量分数)合金试样的温度场和微观凝固组织。晶体形核和枝晶生长动力学模型分别采用Rappaz连续形核模型和Kurz-Giovanola-Trivedi(KGT)模型简化形式，基于纯扩散条件，采用 KGT 模型简化公式计算生长参数。结果显示：数值模拟可以较准确地预测柱状晶向等轴晶转变(CET)位置和等轴晶晶粒尺寸，但因模拟未考虑晶核的运动，激冷等轴晶区的模拟有较大偏差。模拟和实验结果都证明过热度显著影响Al-Cu合金的凝固组织，过热度低于20℃条件下可以获得全等轴晶组织，否则会出现柱状晶；过热度50℃以上的试样CET位置几乎不发生变化。     

焊接熔池快速凝固过程的微观组织演化数值模拟

基于晶粒形成原理和枝晶生长动力学特点,建立了焊接熔池凝固过程中的形核、枝晶生长、溶质再分配及扩散的二维数学物理模型,对焊接熔池快速凝固过程中柱状晶向等轴晶的转变以及不同的冷却速度对这一转变过程的影响进行了模拟.结果表明,焊接熔池在快速冷却凝固过程中,溶质再分配与扩散明显;柱状晶向等轴晶转变时,熔池中心等轴晶凝固排出的溶质使柱状晶尖端浓度急剧升高,抑制了柱状晶的生长;冷却速度越大,柱状晶越容易向等轴晶转变,且转变所需时间越短.     

基于热溶质对流及晶粒运动的柱状晶-非球状等轴晶混合三相模型

基于Eulerian-Eulerian方法,阐述了简化枝晶状等轴晶、柱状晶以及金属液三相完全混合的凝固模型.模型考虑了等轴晶的移动及柱状晶对等轴晶的捕获,跟踪了柱状晶尖端的位置并考虑了等轴晶和柱状晶的相互竞争生长,因此该模型具备了预测柱状晶向等轴晶转变(CET)的能力;为了在不过量增加计算量的前提下提高模型的精度,模型对等轴晶采取了简单的枝晶化处理,即采用简化方法描述等轴晶包络线内固相分数.分别模拟了3.25和25 t钢锭的凝固过程,成功预测了大型钢锭凝固过程所形成的底部锥形负偏析、“类-A型”偏析以及CET等现象.分析认为长细形状铸锭中出现的顶部负偏析区,是由于凝固后期所形成的局部小钢锭及等轴晶在其内部的沉积聚集而成.     

钢锭中柱状晶向等轴晶区域转变的机理

<正> 本文研究开发了柱状晶区域向等轴晶区域转变的新理论。本文提出,枝晶生长的前端成长为自由晶;由于自然对流,这些结晶在熔融的液体中生长。这些自由晶迅速长大或迅速增加的话,则将会随着凝固的前沿阻止柱状晶的生产。铸型的冷却速度和凝固工艺的动力学决定了自由晶的生长速度。根据理论推定,冷却速度愈快,转变愈容易完成。本文还将上述情     

铝合金连续铸造过程CET位置判据的研究

柱状晶向等轴晶转变(CET)是在一定的凝固过程中必须控制的一种显微组织转变.本文针对铝合金连铸坯凝固过程中柱状晶向等轴晶的转变,综合运用了正交试验研究、数值模拟计算、数学拟合等方法,分析了连铸过程主要工艺因素拉坯速度、一冷水量、二冷水量和浇注温度对连铸坯凝固过程中柱状晶向等轴晶转变位置的影响,提出了柱状晶向等轴晶转变的转变位置判据,即当连铸坯某一位置处的固相率等于0.3时,温度梯度G与冷却速度R满足函数关系G0.8072/R=0.469时,在该位置处将发生柱状晶向等轴晶的转变.     

Numerical Simulation of Titanium Alloy Ingot Solidification Structure during VAR Process Based on Three-Dimensional CAFE Method

建立三维多尺度数学模型计算Ti-6Al-4V合金铸锭真空自耗电弧熔炼(VAR)过程中的温度场、流场及凝固组织的形成。该模型包括宏观质量、动量及能量守恒方程和介观晶粒形核生长模型。在传热与流动计算的基础上,模拟铸锭VAR过程中的三维凝固组织的形成。对比计算结果与实验观察可知,两者在晶粒结构与晶粒生长方式方面吻合较好。当考虑VAR过程中熔池表面的辐射换热后,铸锭顶部的柱状晶被很好地呈现。最后,考察了自然对流对铸锭凝固组织的影响,计算结果表明自然对流对柱状晶-等轴晶转变(CET)及晶粒尺寸影响较大,表现为促进CET及细化晶粒。     

基于三维CAFE法计算真空自耗电弧熔炼钛合金铸锭的凝固组织（英文）

建立三维多尺度数学模型计算Ti-6Al-4V合金铸锭真空自耗电弧熔炼(VAR)过程中的温度场、流场及凝固组织的形成。该模型包括宏观质量、动量及能量守恒方程和介观晶粒形核生长模型。在传热与流动计算的基础上,模拟铸锭VAR过程中的三维凝固组织的形成。对比计算结果与实验观察可知,两者在晶粒结构与晶粒生长方式方面吻合较好。当考虑VAR过程中熔池表面的辐射换热后,铸锭顶部的柱状晶被很好地呈现。最后,考察了自然对流对铸锭凝固组织的影响,计算结果表明自然对流对柱状晶-等轴晶转变(CET)及晶粒尺寸影响较大,表现为促进CET及细化晶粒。     

基于ProCAST软件研究浇铸工艺对Al-Cu合金凝固组织的影响

采用计算机软件对Al-2%Cu二元合金的凝固微观组织进行了模拟,研究了界面换热系数、初始浇注温度、模具材料及厚度等工艺条件对铸造凝固微观组织影响。结果表明,随着界面换热系数的增加,合金凝固组织中柱状晶含量呈线性增加;随着浇注温度的升高,凝固组织由等轴晶向柱状晶转变,温度越高,柱状晶比例越大,当浇注温度为600℃时,合金凝固组织中几乎全部为等轴晶粒;当模具材料为硅砂时,合金凝固组织为粗大的等轴晶,使用钢制模具所得到的凝固组织为表层细晶区、柱状晶区及心部等轴晶,其中柱状晶组织占20%左右,而使用铜制模具时,柱状晶比率达60%;随着钢制模具厚度的增加,凝固组织中柱状晶比例快速增加。     

一种改进的三维元胞自动机模拟铝合金凝固

以元胞自动机模型为基础,基于晶粒形核和生长的物理过程,建立了铝合金凝固过程演化的三维元胞自动机模型.枝晶尖端生长速度与局部过冷度的关系采用KGT模型,温度场和浓度场的计算采用有限差分法.模型中采用大小两套网格分别进行宏观温度场和微观组织演变的计算,提高了计算效率,使用该模型模拟了铝合金单晶生长以及铝合金在金属模具中的凝固情况,得到了在不同浇注温度下典型的柱状晶向等轴晶转变的三维图形.     

Simulation of Grain Growth during Solidification of Twin-Roll Continuously Cast Pure Aluminum with a Modified CA Model

基于枝晶生长的基本传输过程和元胞自动机(Cellular Automaton,简称CA)-有限元(Finite Element,简称FE)模型基本原理,建立了适应双辊连续铸轧纯铝薄带工艺特点的凝固过程形核和晶体生长的数学模型。模型耦合了宏观温度场和微观组织模拟计算,考虑了溶质扩散、曲率过冷和潜热释放等重要因素的影响,能够模拟凝固过程中枝晶生长的形态。应用本模型对双辊连续铸轧纯铝薄带凝固过程中等轴晶生长、等轴晶多晶粒生长及柱状晶生长、柱状晶向等轴晶演化进行模拟并与实验结果进行对比,模拟结果与实验结果吻合较好     

对流作用下镁合金凝固组织演变的数值模拟

基于改进元胞自动机模型和流场传输模型,模拟对流作用下的镁合金等轴晶和柱状晶组织演变过程。采用改进元胞自动机模型模拟具有密排六方结构的镁合金的枝晶生长;采用投影法求解流场传输模型耦合质量守恒方程、动量守恒方程和溶质扩散方程。不仅模拟了镁合金中单枝晶、多枝晶和柱状晶在对流作用下的生长规律,还对不同入流速度下枝晶凝固前沿的溶质分布进行定量分析。模拟结果表明:迎流端枝晶生长较快,二次枝晶臂较为发达;背流端生长缓慢,二次枝晶臂较细小或没有二次晶臂。对流作用还会改变等轴枝晶扩散层的分布,在背流端扩散层呈拖曳特性。因此,对流作用对镁合金凝固组织的演变有重要影响。     

电磁振荡频率对上引连铸Cu-15Ni-8Sn合金组织及逆偏析的影响

通过在上引连铸Cu-15Ni-8Sn(质量分数,%)合金过程中施加电磁振荡,研究了电磁振荡频率对合金凝固组织及逆偏析的影响。结果表明:当施加的电磁振荡频率为10或30Hz时,合金的宏观凝固组织发生了柱状晶到等轴晶的转变,微观凝固组织由树枝晶转变为蔷薇状组织;当电磁振荡频率从30 Hz增加到50 Hz时,宏观凝固组织又逐渐转变为柱状晶,微观凝固组织也随之转变为发达的树枝晶。电磁振荡频率为10和30 Hz时形成的等轴晶组织有利于改善合金中Sn元素的逆偏析。电磁振荡使合金熔体中产生往复强制对流,10或30 Hz频率的电磁振荡引起的宽幅往复流动使固液界面前沿温度场和溶质场均匀,有利于形成等轴晶,并促使枝晶折断,形成游离晶,消除定向枝晶通道,从而抑制了逆偏析。而在50或100 Hz频率下,电磁振荡频率过高形成了窄幅往复流动,不能有效折断枝晶、达到细化晶粒的目的,从而减弱了抑制逆偏析的作用。     

电磁搅拌下Cr钢柱状晶向等轴晶转变准则(二)

在枝晶破碎理论基础上,分析了电磁搅拌强度及合金元素碳、铬含量对钢凝固组织的影响。对柱状晶向等轴晶转变(CET)的准则进行讨论。发现线性电磁搅拌下的CET准则对Cr钢仍然有效。得到了临界固相分率、枝晶间流速和液体平均流速关系。发现铬含量提高使柱状晶向等轴晶转变更难。     

基于宏微观耦合三维模型的铝合金凝固模拟

采用一种宏微观耦合模型对铝合金的凝固情况进行了模拟。该模型结合了元胞自动机法与有限差分法,与传统的元胞自动机模型不同,该模型不仅考虑了温度场扩散而且考虑了固-液相中的溶质扩散、曲率过冷等因素。枝晶尖端生长速度与局部过冷度的关系采用KGT(Kurz-Giovanola-Trivedi)模型,温度场和浓度场计算采用有限差分法。模型中采用大小两套网格分别进行宏观温度场和微观组织演变的计算,极大地提高了计算效率。利用该模型模拟了铝合金微观多晶生长,以及铝合金在金属模具中的凝固情况,获得了3种不同浇注温度下典型的柱状晶向等轴晶转变的三维图形。     

基于CAFE模型研究过冷度/形核数对H13钢微观组织的影响

基于CA-FE方法对工业H13钢进行凝固过程数值模拟,建立了宏观温度场、浓度场和微观生长过程耦合的凝固组织模拟模型。以元胞自动机模型为基础,耦合有限元模型,在晶粒尺度上模拟了其凝固过程。应用建立的微观组织模型,研究了过冷度、形核数对凝固组织的影响。结果表明,过冷度处于0.1~5℃,晶区主要是中间等轴晶区为主,柱状晶区占有比极小,且生长趋势受到等轴晶的抑制;当过冷度处于5~7℃,柱状晶生长速度增大,占有比增加,但是中间等轴晶内部组织粗化,形状因子增大,晶粒尺寸和晶粒度偏差表现为先增大,后减小;然而,过冷度达到7~15℃,柱状晶生长受到内部等轴晶的抑制,柱状晶占有优势,且随过冷度增加,晶粒尺寸得到细化;且形核数增加,柱状晶区减小,等轴晶区增大,同时晶粒先增大后减小。     

基于三相模型的Al-4%Cu合金三维半连铸圆锭的宏观偏析数值模拟

本文采用基于 Eulerian-Eulerian方法的等轴晶、柱状晶以及熔体三相完全混合的凝固模型计算了三维半连铸Al-4%Cu铝合金圆锭的宏观偏析。基于热溶质对流的基础上,模型考虑了等轴晶的移动,以及柱状晶对浮游等轴晶的捕获,等轴晶和柱状晶的相互竞争生长行为。模拟结果表明铸锭底部出现了明显的锥形负偏析区(CET转变区域),铸锭中心正偏析带,毗邻中心的负偏析区,以及铸锭1/2半径处正偏析带,总的偏析形态呈现W型,与铸锭实际情况基本一致。此外,铸造速度相较于浇注温度对铸锭宏观偏析具有更大的影响。     

不同粉末对等离子弧喷焊DZ125合金显微组织的影响

采用等离子弧喷焊技术在定向凝固DZ125合金表面制备钴基与镍基合金熔覆层。结果表明,熔覆层在基材的结合界面处形成的是外延生长的柱状晶组织,随着温度梯度G减小,成分过冷程度增加,组织发生了柱状晶向等轴晶的转变。凝固时固液界面前移,使得温度梯度降低,在相同条件下,Ni基合金比Co基合金更易转化为等轴晶,形成的柱状晶更少。Co基合金与Ni基合金熔覆层硬度自基材到表面呈上升趋势,相较于基材的组织,熔覆层的柱状晶组织更为细小,硬度更高,熔覆层的等轴晶硬度高于柱状晶。     

用宏微观耦合模型模拟铝合金凝固过程

用一种宏微观耦合模型对Al-2．5Si在金属型中的凝固情况进行了模拟。该模型结合改进的元胞自动机模型与有限差分法，考虑了温度场、浓度场和微观生长过程。该改进的元胞自动机模型与经典元胞自动机相比较，不仅考虑了温度场扩散，而且考虑了溶质在液相中的扩散、界面曲率和溶质富集对枝晶尖端过冷度的影响。在宏微观耦合模型中采用大小两套网格分别进行宏观温度场和微观组织演变的计算。在3种不同的浇注温度下得到了3种典型的柱状晶向等轴晶转变的图形。考虑边界条件后的模拟结果发现等轴晶的形核情况与理论分析有所差别。     

真空自耗电弧熔炼TC4铸锭的凝固组织和缩松缩孔的模拟

建立三维轴对称有限元模型,采用移动边界法模拟了真空自耗电弧熔炼( VAR)TC4合金铸锭凝固过程的温度场分布,并基于元胞自动机和有限元耦合法(CAFE法)计算了VAR过程中TC4铸锭的凝固组织、缩松和缩孔的形成.结果表明,模拟结果与试验观察在晶粒结构、柱状晶生长方向,柱状晶-等轴晶转变及缩松和缩孔等方面相符合.     

Ti-Al合金定向凝固柱状/等轴晶转变的数值模拟

采用基于溶质扩散控制模型CA方法,对Ti-Al合金定向凝固过程中柱状晶/等轴晶转变过程进行了数值模拟。模拟结果表明,温度梯度、抽拉速度对柱状晶/等轴晶转变影响定性地符合Hunt解析解。横向晶核间距影响比纵向大;形核过冷度增加,柱状晶/等轴晶转变推迟;柱状晶间距不仅与温度梯度、抽拉速度有关,而且可通过激活预置晶核使其生长为柱状晶而得以调整,特别是温度梯度在30～50K/mm之间,形核有较强的调节柱状晶间距的作用。