相场法模拟定向凝固微观组织演化研究进展

定向凝固是一种新型的铸造成型技术,能够很好地呈现出凝固过程中界面形态的演化过程,而相场法在如今微观组织数值模拟领域中是最具有优势的一种研究方法.介绍了相场法数值模拟的基本原理,阐述了国内外学者对二元或多元合金在受流场、溶质间相互作用和各向异性、过冷等因素条件影响下自由枝晶和小晶面枝晶的相场法模拟的研究进展,说明了采用相场法耦合溶质场和计算相图等方法在其他微观组织中的应用,并且指出了相场法在模拟定向凝固微观组织领域中所存在的不足之处以及未来的发展趋势.     

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。     

利用相区场模型模拟凝固过程枝晶的生长--各向异性相区场模型的推导

凝固组织枝晶生长过程的机理和数值模拟一直是材料领域的研究热点。扩散界面模型中的相区场方法近来得到了广泛应用，文章给出了纯物质凝固过程相区场模型的数学推导过程，并结合变分方法将各向异性引入到模型中来。     

PMO对42CrMoA钢?300 mm圆坯枝晶组织的影响

枝晶形貌是影响铸坯元素分布、缩孔缩松及性能的重要因素，细化枝晶能够有效提高铸坯质量。研究了PMO处理对42CrMoA钢?300 mm连铸圆坯枝晶形貌的影响。研究发现，PMO处理坯的柱状枝晶生长方向发生偏转，枝晶臂间距明显减小，其中一次枝晶臂间距减小率为10%～35%,二次枝晶臂间距减小率为25%～35%。分析认为，PMO造成凝固前沿热流方向及溶质场变化，导致枝晶重新竞争生长，因此一次枝晶生长方向发生改变，且一次枝晶臂间距减小。另外，PMO在铸坯凝固前沿形成感生电流，固液相电导率差异造成枝晶尖端电流聚集，进而导致曲率半径增大，降低了细枝晶的溶解速率，抑制了二次枝晶的熟化过程，因此二次枝晶臂间距减小。研究结果为今后利用PMO改善铸坯枝晶组织提供了指导。     

DSM11合金定向凝固工艺的研究

研究了定向凝固速度对DSM11合金组织结构和性能的影响.结果表明,在获得柱状晶生长的条件下,随凝固速度提高,枝晶间距细化,合金中的γ'相、碳化物和共晶组织细而均匀;当凝固速度为11mm/min时,出现严重的枝晶分叉和不连续现象.凝固速度变化对合金高温持久性能影响显著.凝固速度为7 mm/min时,合金持久性能最高,对应枝晶间距和共晶含量的低谷,伴随着细小枝晶和均匀的显微组织.     

连铸钢坯一次枝晶间距及“鼓肚”的影响

 探讨了铸坯中一次枝晶间距的变化规律及其“鼓肚”量对枝晶间距的影响。通过确定凝固速度的表达式,定量计算了连铸过程中一次枝晶间距。结果表明,“鼓肚”的存在,使柱状晶生长初期一次枝晶间距出现增大、减小、再增大的周期性变化趋势,当固液界面向正弦波的波峰处运动的过程中,一次枝晶间距逐渐增大,当固液界面向正弦波的波谷处运动的过程中,一次枝晶间距逐渐减小。“鼓肚”量增加时,一次枝晶间距变化的幅度增大。在凝固的中后期,波峰和波谷处的一次枝晶间距基本相等,表明枝晶进入稳定生长的阶段,此时“鼓肚”对枝晶间距的影响基本可以忽略。计算结果与实验结果基本吻合。     

Fe-6.5％Si高硅钢凝固过程铁素体相生长行为原位观察

采用共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)原位观察Fe-6.5%Si高硅钢凝固过程中铁素体(δ)相生长行为,揭示了不同冷却速率对高硅钢δ相生长行为和形貌的影响。结果表明,在一定的过冷度下发生L→δ转变,δ相枝晶生长过程中会发生合并现象;随着凝固时间增加,枝晶尖端的粗化速率逐渐降低,L→δ相变开始和结束点延后;通过数据拟合得到二次枝晶臂间距(d)和冷却速度(R)关系:d=53.4R-0.23。     

稀土La在Al-Si共晶合金中的偏聚及其与合金细化变质的关系

本文通过定向凝固和液-固界面的微区成份分析及电镜组织观察,研究了La在Al-Si共晶合金中的分布规律和共晶两相生长特点与合金细化变质的关系。试验表明,La在液-固界面前沿明显富集,共晶生长形态发生变化,α-Al领先相树枝晶发展,共晶枝晶和α-Al枝晶均有颈缩和熔断现象。     

定向凝固研究易切削钢中硫化物的生成行为

通过定向凝固实验研究了易切削钢中硫化物的生成过程,并建立了枝晶臂间距、硫化物的平均直径与凝固条件之间的关系.实验结果表明:随着温度梯度和拉速的增大,MnS的平均直径减小,数量增多;定向凝固过程中硫化物的完全析出温度大约在固相线温度下100℃左右,MnS形态的改变,主要受其组成元素的活度影响,即MnS形态的改变受其界面自由能的影响;对定向凝固实验中钢的枝晶臂间距、硫化物的平均直径与凝固条件的关系进行了拟合,拟合结果与前人研究结果相吻合.      

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。     

电流对电渣重熔过程多场耦合行为和凝固参数影响的数值模拟

摘要：利用了FLUENT软件建立了电渣重熔（ESR）过程二维轴对称瞬态模型。使用有限体积法求解耦合的电磁场、动量和能量守恒方程,铸锭的凝固过程由焓 多孔介质模型处理,系统地研究了电流对电渣重熔GH984G凝固过程多场耦合行为和凝固参数的影响规律。模拟结果表明：电流由2.3kA增大为2.5kA,体系中电流密度、磁感应强度、洛伦兹力和焦耳热均增大;进而导致了熔渣流速增大,渣池和金属熔池温度增大,熔池变深;铸锭的一次和二次枝晶间距也相应增大,相对瑞利数增加,黑斑形成趋势也随之增大;计算结果与实验结果吻合较好。     

电流对电渣重熔过程多场耦合行为和凝固参数影响的数值模拟

利用了FLUENT软件建立了电渣重熔(ESR)过程二维轴对称瞬态模型。使用有限体积法求解耦合的电磁场、动量和能量守恒方程,铸锭的凝固过程由焓-多孔介质模型处理,系统地研究了电流对电渣重熔GH984G凝固过程多场耦合行为和凝固参数的影响规律。模拟结果表明:电流由2.3 kA增大为2.5 kA,体系中电流密度、磁感应强度、洛伦兹力和焦耳热均增大;进而导致了熔渣流速增大,渣池和金属熔池温度增大,熔池变深;铸锭的一次和二次枝晶间距也相应增大,相对瑞利数增加,黑斑形成趋势也随之增大;计算结果与实验结果吻合较好。     

连铸三维宏观传输模型—枝晶凝固微观特性的耦合研究

根据所建立的连铸三维宏观传输数学模型中，对枝晶凝固微观结构参数的影响效果进行了充分地耦合研究，包括：枝晶臂间距，枝晶凝固模式和糊状区渗透特性．宏观模型中，采用微观偏析半解析模型来对浇铸钢种的非平衡凝固路径进行近似确定，其中枝晶臂间距是重要的影响参数，即所谓的一次枝晶臂间距和二次枝晶臂间距，必须考虑后者随凝固过程的变化情况；连铸凝固过程中，两相糊状区的渗透特性对于铸坯的流场以及温度场和溶质浓度场具有重要的影响作用，模型中采用复合理论方法来对其加以了描述，即根据临界的固相分数值将糊状区分别视为非牛顿半固相流体和多孔介质；在确定多孔介质的渗透率时，考虑了枝晶凝固模式的影响效果，等轴晶区对应于各向同性渗透率，柱状晶区则对应于各向异性渗透率．采用该连铸三维耦合模型，并结合早前建立的连铸二维传热模型，针对某钢厂1号方坯连铸机进行了复合数值模拟研究，且研究成果已投入到铸机的实际生产运行中．工厂现场的生产状况表明，数值仿真结果具有较好的合理性和实用性，说明该三维耦合模型具有良好的仿真精度， 可广泛应用于实际连铸过程的数值仿真研究中．     

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。     

高碳中锰耐磨钢凝固过程溶质微观偏析模型

通过定向凝固、电子探针(EPMA)、Factsage等多种实验与理论计算相结合的手段对中锰耐磨钢凝固过程溶质元素微观偏析行为进行了系统研究.研究表明在定向凝固试验中当拉速为50μm·s^-1时,中锰钢的二次枝晶间距平均值为59.77μm;中锰钢凝固过程组织转变为L→L+γ→γ属于奥氏体凝固模式,无包晶反应的发生,也无铁素体相及其他相的出现;中锰钢定向凝固过程中Mn、Cr在枝晶间的含量明显高于枝晶内,表明Mn、Cr元素发生了明显的正偏析行为;通过对各特征参数求解,构建了中锰钢溶质元素微观偏析模型,发现中锰钢定向凝固过程中Mn元素偏析指数与Brody–Flemings模型符合较好,而Cr元素偏析指数与Clyne–Kurz模型分布较为一致.     

电场对DD3单晶高温合金显微偏析的影响

研究了直流电场对DD3单晶高温合金凝固显微偏析的影响.实验结果表明在定向凝固速度为5μm/s和电流密度为0～20 A/cm2的条件下,随电流密度增大,胞晶或树枝晶间距减小.与不施加电场时相比,电流密度为6A/cm2时,凝固偏析明显减轻;电流密度为20A/cm2时,凝固偏析恶化.DD3单晶高温合金定向凝固过程中,由于电场的加入,引起溶质有效再分配系数的变化,减轻了凝固偏析;胞晶或树枝晶间距减小,也有利于减轻凝固偏析;胞晶间的原子团簇向胞晶侧面集聚,造成凝固偏析增大.上述因素共同作用决定了最终凝固组织的偏析.     

Ce对Al-2%Cu合金结晶形貌及一次枝晶间距的影响

采用定向凝固的方法研究了Ce对Al—2%Cu合金结晶形貌及一次枝晶间距的影响,结果表明,Ce增加了合金胞状生长的不稳定性;在Ce含量较小的情况下一次枝晶间距减小,在0.1～0.2%Ce范围内达到最小值,大于此范围时,一次枝晶间距反而增大。作者认为等价浓度C_(m n)是Ce影响界面稳定性及一次枝晶间距的主要因素。     

板坯连铸凝固过程微观组织参数的模拟研究

通过数学模型研究了在不同的凝固条件下中碳钢和300系列奥氏体不锈钢在凝固过程中的微观组织参数的变化关系,对枝晶生长速率、枝晶半径、二次枝晶臂间距、枝晶尖端温度、温度梯度等参数随坯壳生长的变化以及不同参数的改变对上述微观参数的影响进行了研究,并对两种钢种的微观组织参数进行了比较。结果表明由于不锈钢所具有的特殊组分和凝固特性使得其微观参数均比碳钢小,符合枝晶生长规律。     

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。     

Fe-0：5％C合金自由枝晶的长大—二三维相区模拟和LKT模型

采用带有稀薄-界面-限制参数的三维相区模型研究了Fe-0．5％C合金的自由枝晶长大过程。在不同过冷度条件下，确定了枝晶长大速度和顶端曲率半径，然后估算了合金的稳定性参数。将用相区模拟得到韵枝晶长大速度与那些通过稳定性参数LKT模型得到的结果相比较，稳定性参数为0．05，结果表明两者吻合性较好。同时讨论了LKT模型在实践应用的有效性。