铝合金半固态浆料电磁搅拌下流场的数值模拟

根据实际条件确定了电磁搅拌的磁流耦合场模型有关参数,应用数值模拟软件,采用二维轴对称模型对铝合金半固态电磁搅拌的流场进行了模拟.计算了搅拌频率为50Hz,电流密度为3x105,6x106.1x106、2x106A/m2时的流场分布,发现铝合金熔体内部最大流速和最大剪切速率随电流密度的增加而线性增大.     

超声及电磁场对铝合金熔体影响的数值模拟及试验研究

针对铝合金熔体的超声及电磁搅拌处理过程,创建了超声场、电磁场、流场和温度场的数学模型,并采用COMSOL Multiphysics软件求解模型,得到了超声场、电磁场和超声/电磁复合场对铝合金熔体内流场和温度场的分布规律,并通过试验对模拟结果进行了验证。结果表明,增加超声功率使得声压幅值和流场的流动速率均随之增加,同时会使熔体的温度梯度逐渐减小;施加电磁场后产生的电磁搅拌改变了熔体的流动方向且使熔体的流动速率显著增大,这对熔体的温度分布产生了较大影响;在超声和电磁复合场下,电磁场比超声场对熔体流场和温度场的影响更大,且占主导地位。数值模拟结果和试验结果符合较好。     

LSPWES法半固态组织演化的元胞自动机模拟

为理解低过热度浇注弱电磁搅拌(LSPWES)过程中铝合金半固态球晶组织形成的基本规律和演化机制,建立了元胞自动机(Cellular Automaton)和有限元(Finite Element)相结合的宏微观耦合模型,并分析了电磁搅拌对凝固过程的影响,计算了不同搅拌参数下的流场信息,模拟了该方法中不同工艺参数下A356铝合金的凝固组织,得到了最佳的工艺参数。模拟和试验结果表明,当浇注温度为630℃时,施加短时弱电磁搅拌后,增大了形核率,使同时发生凝固的区域增大,提高了晶粒在各个方向上生长的均匀性,促进了球晶组织的形成。此时,最佳搅拌参数:电源频率为10Hz,搅拌功率为1.2kW,搅拌时间为6s。     

7075铝合金流变挤压铸造研究

通过对7075铝合金熔体进行环缝式电磁搅拌处理,获得具有均匀温度场和成分场的浆料,并采用挤压铸造方式成形,分析了铸件的金相组织,采用ProCAST软件对充型过程进行数值模拟。结果表明,环缝式电磁搅拌处理后的铝合金熔体,凝固过程中的枝晶生长被抑制,铸态组织细化;流变挤压铸造成形件组织致密,减少了热裂、缩松等缺陷的产生。     

铝/镁异种金属搭接搅拌摩擦焊接温度场数值模拟研究

利用有限元分析软件ABAQUS对铝/镁异种金属搭接搅拌摩擦焊温度场进行模拟研究,计算了焊接过程中不同焊接参数对温度场的影响.结果表明:数值模拟结果与测量结果能够较好吻合,热源模型的建立基本符合搅拌摩擦焊接过程,验证了已建立的模型的可靠性.     

搅拌摩擦焊数值分析方法概述

数值分析方法在搅拌摩擦焊接头温度场和材料流动场研究中的应用越来越广泛.综述了在搅拌摩擦焊接头温度场和材料流动场研究中常用的计算流体力学(CFD)、任意拉格朗日-欧拉(ALE)、耦合欧拉-拉格朗日(CEL)三种数值分析模型.三种模型各有特点,计算流体力学模型(CFD)采用较早,但是该模型忽略了母材的硬化行为和从搅拌头上的...     

元胞自动机法模拟铝合金三维枝晶生长

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及热质传输过程,建立了铝合金凝固过程微观组织形成及枝晶形貌演化的三维元胞自动机模型.与传统的元胞自动机不同,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、曲率过冷等重要因素.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.使用该模型模拟了单晶生长和多晶生长.模拟结果表明,所建立的模型能够合理反映质点形核、单晶粒生长和多晶粒生长,微观组织形貌的模拟计算结果合理.     

强制均匀凝固组织精确控制技术

针对合金熔体,尤其是大体积合金熔体凝固组织存在的晶粒粗大、成分偏析、组织不均匀和目前传统电磁搅拌存在的趋肤效应问题,提出了实现大体积合金熔体凝固组织细化、均匀化的新思路和环缝式电磁搅拌制备新方法,并对其技术原理做了深入研究和分析：研究结果表明：与常规电磁搅拌技术相比,环缝式电磁搅拌技术可使合金熔体获得较大的剪切速率,有利于获得更加均匀的温度场和成分场,得到的合金熔体温度梯度小,温度场分布均匀,初生相组织细小、形貌圆整、分布均匀;环缝式电磁搅拌技术连铸过程中的温度梯度减小,温度场更为均匀,可流变铸造出表面质量好,初生相组织细小、分布均匀的半固态坯料。     

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。     

镍基高温合金铸件液态金属冷却定向凝固建模仿真及工艺规律研究

考虑了液态金属冷却定向凝固过程中动态对流边界,建立了高温合金铸件温度场数学模型,采用三维元胞自动机(cellular automaton,CA)方法和KGT生长模型,建立了镍基高温合金凝固过程晶粒形核及生长的数学模型.采用宏观模型与微观模型双向同步耦合,实现了温度场和晶粒组织的数值模拟.进行了浇注实验,用冷却曲线和晶粒形貌验证了数学模型的准确性.对液态金属冷却定向凝固规律的研究表明,抽拉速率不仅对糊状区形状有重要影响,而且对晶粒的平行度以及枝晶组织的细密性也有很大的影响.抽拉速率过小时,糊状区上凸,晶粒组织易发散;抽拉速率过大时,糊状区下凹,晶粒组织汇聚,同时造成枝晶组织的粗化;适当的抽拉速率下能获得平坦的糊状区,提高晶粒的平行度,细化枝晶组织.     

电磁搅拌对激光熔凝TA15钛合金熔池凝固研究

为了研究电磁搅拌作用对激光熔凝熔池凝固过程的影响,采用有限体积法对施加磁场前后激光单道动态熔凝TA15钛合金过程进行三维磁-热耦合数值模拟。研究了磁场对激光熔池流场、熔凝单道及其周边基材温度分布、固液界面处温度梯度和凝固速度的影响,并采用试验手段对模拟结果进行了验证。模拟结果表明:电磁搅拌作用使激光熔池最大流速增加了约20%,对流加剧促进了熔池热交换作用,使其最高温度下降,固液分界面处温度梯度大幅降低,凝固速度小幅增大,从而有利于熔池顶部组织发生柱状晶-等轴晶转变(CET)。试验结果显示施加磁场后熔凝层顶部有等轴晶组织生成,且随着远离磁场中心,电磁力增大,等轴晶区有扩大趋势。试验结果和模拟结果一致性较好。     

Numerical simulation on electromagnetic field,flow field and temperature field in semisolid slurry preparation by A-EMS

A two-dimensional computational model coupling an annular electromagnetic stirring (A-EMS) with a macroscopic heat and fluid flow analysis in Al-alloys semisolid slurry preparation was developed. The dynamic evolutions of the electromagnetic field, flow field, and temperature field were presented successfully by commercial software ANSYS 10.0 with corresponding experimental verification. A horizontally rotational electromagnetic field and, thereby, a more intensive velocity field were uniformly distributed in the stirred melt even at commercial frequency, and thus, a lower temperature difference in the stirred melt and subsequent uniformly fine microstructures were obtained compared with the normal electromagnetic stirring. The simulation results were in good agreement with experimental ones.     

半固态金属组织的形成模型及模拟

分析了半固态金属制备过程中搅拌状态下晶粒生长的浓度场及温度场，将凝固速度与液体流动速度作为晶粒生长形态的影响因素,建立了液体运动状态下的晶粒生长形态模型，并且模拟了在不同半固态制备条件下晶粒的生长形态．理论模拟与实验结果相符合.     

Numerical simulation of solidification process of Sn-3.5%Pb hollow billet with stirring magnetic field

In order to study the effect of the stirring flow on the grain diameter and solute concentration of hollow billet, the couple model of the two-phase solidification and electromagnetic field was built to simulate the solidification process of Sn-3.5%Pb hollow billet with the traveling magnetic field and rotating magnetic field. The effects of different kinds of flows on the temperature field, concentration field and grain diameter of molten metal during solidification were analysed. The results show that, there are different flow patterns in the molten metal induced by the traveling magnetic field and rotating magnetic field. Both flows can refine the grains in the hollow billet because of change of the temperature gradient and cooling rate of molten metal. The bigger the stirring velocity is, the smaller the grain diameter. Both flows can result in the macro-segregation in the hollow billet because of the non-homogeneous flows. The bigger the stirring velocity, the more serious the macro-segregation of the hollow billet. So, the stirring intensity should be controlled to acquire the high quality hollow billet.     

Effect of Magnetic Suspension Force in Electromagnetic Stirring on Microstructure of Al-Si Alloy

Based on Maxwell equations, the Lorentz force in Al-Si alloy melt was calculated during the process of electromagnetic stirring using analytic approximation method. The effects of magnetic suspension force on the microstructure of Al-Si alloy were given under different electromagnetic stirring frequency. The surface layer for alloy melt (thickness is about skin depth) were under a larger magnetic suspension force in intermediate frequency electromagnetic stirring. As a result, it was found that Si phase ten...     

电磁搅拌制备TiB_2颗粒增强7055铝基复合材料的研究

在电磁搅拌的条件下,通过盐-熔体原位反应生成了亚微米级TiB_2增强颗粒,并在熔体凝固过程中施加电磁搅拌,获得TiB_2颗粒增强的7055基复合材料铸态组织.试验结果表明,电磁搅拌作用下,熔体的传热和传质速度增加,铝液与反应盐的接触面积也增大,TiB_2颗粒的生成量大大提高,并促进了颗粒在基体中的弥散分布,减少了颗粒的团聚;同时,在熔体凝固过程中施加电磁搅拌,提高了基体材料的致密度,细化了基体晶粒尺寸.     

电磁离心凝固过程熔体流动和传热的有限元数值模拟

利用电磁流体动力学有关理论,建立了电磁离心凝固过程熔体流动与热量传输的耦合分析模型,采用有限元法对电磁离心凝固过程进行了分析,得出了瞬态速度场和温度场。分析结果表明,电磁离心凝固过程中,正是由于电磁力引起的受迫对流运动,对金属熔体起电磁搅拌作用并使晶粒得到细化,从而提高铸件质量。     

强制对流流变成形制备7075铝合金半固态浆料及其数值模拟(英文)

采用自主研发的强制对流流变装置,研究搅拌速度对7075铝合金半固态组织的影响规律。实验结果表明,随着搅拌速度的增加,半固态组织的晶粒尺寸减小,形状因子及粒子数增加。同时,对强制对流流变成形浆料制备过程进行数值模拟,研究熔体在筒体内的流动规律和搅拌速度对合金熔体温度场和固相率的影响。模拟结果表明,合金熔体在FCR筒体内存在复杂的对流运动,熔体对流极大地改变了合金熔体温度场和固相率的分布。增加对流强度有利于减小合金熔体的过冷度梯度和改善初生晶粒的分布。     

钙与电磁搅拌对AM50合金组织性能的影响

研究了AM50合金采用钙进行熔体处理和电磁搅拌后晶粒形貌及大小与耐腐蚀性能的变化。结果表明，钙的加入使AM50合金晶粒尺寸降低40％左右，但随加入量的增大细化效果并未进一步明显。同时熔体处理与电磁搅拌复合作用可使合金晶粒尺寸减小到20％～30％，并可获得近球状的晶粒组织。但钙的加入使得合金耐腐蚀性能有所降低，简述了钙及电磁搅拌对合金组织性能的影响机制。