Ag-Cu合金凝固微观组织模拟数学模型

针对Ag-Cu合金在凝固微观组织模拟研究中的不足,研究基于CA(Cellular Automaton)法与宏观传输现象中的温度场、浓度场和流动场耦合,建立了Ag-Cu合金凝固微观组织模拟的宏/微观数学模型.介绍了CA法宏观网格的划分和微观单元温度的确定,以及形核长大过程的计算流程和采用等价比热法处理凝固潜热的方法.     

Al-4.5%Cu合金凝固过程显微组织的数值模拟

对Al 4 .5 %Cu二元合金在水冷铜型中的凝固进行了模拟 ,建立了耦合温度场、浓度场和微观生长过程的凝固组织模拟模型。以CA(CellularAutomaton)技术为基础 ,建立了晶粒生长过程的局部演变规则 ,在晶粒尺度上模拟了其凝固过程。将相同条件下的实验结果和模拟结果进行了对照 ,检验了模型的正确性与适用条件。     

合金凝固过程元胞自动机模型及模拟方法的发展

元胞自动机(CA)是一种高效且物理意义明确的模拟方法,能够较准确地模拟合金的凝固组织演变过程.本文简述了合金凝固过程CA模拟方法的基本原理,综述了合金凝固组织演变CA模型的发展历程,分析了现存的CA模型的特点,展望了合金凝固CA模型的未来发展方向.     

Al-Si合金宏观偏析、凝固组织演变的元胞自动机-控制容积法耦合模拟

建立凝固过程中宏观流动、传热、溶质传输与微观形核、生长过程双向耦合数学模型,并针对Al-Si二元合金凝固过程进行二维元胞自动机控制容积积分法(CA FV)耦合模拟。模型反映了流场下晶体逆流生长特性,考虑了温降导致的形核和生长以及形核和生长引起的固相分率变化对宏观场的影响,能预测凝固过程中再辉和晶间偏析等现象,反映合金液流动对合金的溶质分布以及凝固组织形貌的作用规律。与仅宏观传输模拟结果和无流动影响的模拟结果进行了对比,验证了耦合模型的优越性。同时考察了铸型尺寸对凝固组织形貌的影响。     

DZ125高温合金定向凝固微观组织的CA法模拟

采用伪二元相图法对DZ125多元合金进行了简化,并用二维Cellular Automaton(CA)法模拟了合金定向凝固微观组织.通过采用不均匀连续形核模型,在考虑到枝晶生长动力学的基础上,模拟了不同抽拉速度下合金定向凝固组织形貌,枝晶界面形态以及一次枝晶间距的变化,说明树枝晶竞争生长中存在"分枝"与"淹没"的机制;并且随凝固速率的增加,合金凝固组织从分枝较少的胞状树枝晶向分枝发达的树枝晶转变.模拟的一次枝晶间距从凝固速率为50 μm/s时的132 μm减少到凝固速率为500 μm/s时的69 μm.模拟结果与实验结果吻合较好.     

透明合金定向凝固过程中枝晶生长的仿真分析

以NH4CI-74%H2O透明合金为研究对象,建立了定向凝固微观组织的CA模型,通过实验和计算机仿真模拟方法,研究了温度梯度方向对柱状晶一次臂间距的影响以及透明合金柱状晶竞争生长问题。研究表明,铸件的最终微观组织形态对其力学性能有着较大的影响。     

铝硅合金微观组织数值模拟的研究现状及发展趋势北大核心

随着计算材料的发展，数值模拟技术已在铝硅合金凝固过程微观组织的研究中发挥了重要作用。本文就数值模拟技术应用于铝硅合金凝固过程微观组织的形成过程，综述了模拟铝硅合金微观组织形成过程必要的形核与生长模型；着重描述了广泛应用于模拟铝硅合金微观组织形成过程的方法，如元胞自动机法和相场法；最后展望了未来铝硅合金数值模拟技术的发展趋势。     

铝基四元合金枝晶组织及微观偏析的数值模拟

建立了基于元胞自动机(CA)和热力学相平衡计算引擎(PanEngine)的二维耦合模型,并应用于铝基四元合金枝晶组织和微观偏析的数值模拟.在该耦合模型中,采用CA方法模拟枝晶组织的演变.以固/液界面的平衡液相线温度和实际温度的差值作为枝晶生长的驱动力,同时考虑了固/液界面曲率的Gibbs-Thomson效应.通过求解溶质传输方程获得固/液界面处三种溶质的液相成分,耦合PanEngine获得固/液界面处的平衡液相线温度及三种溶质的平衡固相成分,为提高计算效率,采用预制数据表格的优化策略将CA与PanEngine进行耦合.将Al-4.5Cu-0.5Mg-1Si(质量分数,%)四元合金凝固时的固相分数随温度的变化以及固相分数和固相成分分布关系的模拟结果与Scheil模型和平衡凝固模型的预测结果进行了对比,结果表明,该模型不仅可应用于模拟多元合金中的枝晶生长形貌,而且能对铝基四元合金系凝固的微观偏析进行定量预测.     

MODELING OF DENDRITIC STRUCTURE AND MICROSEGREGATION IN SOLIDIFICATION OF AL-RICH QUATERNARY ALLOYS

建立了基于元胞自动机(CA)和热力学相平衡计算引擎(PanEngine)的二维耦合模型, 并应用于铝 基四元合金枝晶组织和微观偏析的数值模拟. 在该耦合模型中, 采用CA方法模拟枝晶组织的演变. 以固/液界面的平衡液相线温度和实际温度的差值作为枝晶生长的驱动力, 同时考虑了固/液界面曲率的Gibbs-Thomson效应. 通过求解溶质传输方程获得固/液界面处三种溶质的液相成分, 耦合PanEngine获得固/液界面处的平衡液相线温度及三种溶质的平衡固相成分. 为提高计算效率, 采用预制数据表格的优化策略将CA与PanEngine进行耦合. 将Al-4.5Cu-0.5Mg-1Si(质量分数, %)四元合金凝固时的固相分数随温度的变化以及固相分数和固相成分分布关系的模拟结果与Scheil模型和平衡凝固模型的预测结果进行了对比, 结果表明, 该模型不仅可应用于模拟多元合金中的枝晶生长形貌, 而且能对铝基四元合金系凝固的微观偏 析进行定量预测.     

镍基高温合金熔模铸件凝固过程宏/微观多尺度模拟

建立镍基高温合金熔模铸件凝固过程的宏/微观多尺度数理模型,基于射线追踪法处理热辐射,模拟铸件的温度分布,采用三维宏/微观网格嵌套和改进的CA方法模拟微观组织,并依据微观组织模拟结果处理结晶潜热,实现微观与宏观模拟的耦合.依据等效液面下降法、Niyama判据和Darcy定律预测铸件的宏观缩孔、宏观缩松和微观缩松缺陷分布位置,并浇注实际的高温合金叶轮铸件.结果表明:模拟获得的冷却曲线、微观组织及缺陷位置与实验结果吻合良好,模拟结果能够准确预测铸件中多种缺陷的分布.     

金属熔体凝固微观组织模拟的相场方法研究

全面阐述了现有的金属熔体凝固微观组织模拟的相场模型:纯物质、二元合金理想溶液或正规溶液和稀溶液相场模型,指出构造适合于具有复杂溶液模型的金属熔体凝固微观组织模拟相场模型的必要性.提出采用相图计算热力学模型构造相场模型中的体系自由能,并对相场参数做出相应修正,建立了能对具有复杂溶液模型的金属熔体凝固微观组织进行准确模拟的相场模型.利用该相场模型对Ti-Al金属熔体中晶体的自由生长和定向生长进行了模拟,得到许多与试验观察和理论分析相一致的结果.     

多元多相合金凝固微观组织相场法模拟研究进展

相场法是目前微观组织数值模拟领域中最具优势的研究方法,其在凝固微观组织数值模拟方面取得了许多重要研究进展.本文主要综述了近年来多元多相合金凝固微观组织相场法模拟在国内外的研究进展情况,在阐述了多相场模型分类与发展的基础上,对多元合金、多相合金及多元多相合金凝固微观组织相场法模拟的研究进展进行了详细分析,并指出了本研究领域存在的问题及未来的发展方向.     

金属凝固微观组织形成的数值模拟

依据金属凝固的基本理论,在Oldfield的连续形核和晶粒长大模型基础上,引入了时间因子,运用随机方法,建立了连续冷却条件下形核和生长的随机模型,使形核和生长模型函数与时间直接相关,反映了连续冷却条件下的金属凝固微观组织的演化过程。基于上述模型,编制了计算模拟程序,模拟了Zn-5Al共晶合金微观组织的凝固过程,并用试验结果对模拟结果进行了验证对比,模拟结果与试验结果基本相符。     

合金凝固枝晶粗化的研究进展

枝晶是一种最常见的金属凝固显微组织。在大多数中低速的凝固过程中,枝晶组织发生粗化是一种不可避免的现象,对最终的凝固组织和产品性能产生重要影响。本文首先简要评述半个多世纪以来关于连续冷却和等温凝固过程中的枝晶粗化在理论研究、实验研究和数值模拟3方面的研究进展。随后,介绍作者课题组最近提出的一个包含凝固和熔化机制的元胞自动机(cellular automaton,CA)模型。采用该CA模型对SCNACE合金在固/液两相区等温过程中的枝晶粗化现象进行模拟研究,并对枝晶粗化过程中的凝固/熔化、界面几何形状和溶质扩散之间的复杂相互作用关系进行分析。     

基于数学模型Al-2%Cu二元合金液相扩散系数的推导

通过对Miedema和Eyring模型加以改进,提出了新的理论模型。计算了二元合金在凝固过程中的液相扩散系数,分析了其对合金微观组织的影响。结果表明,无论是柱状晶比例还是两种晶粒大小,采用修正的液相扩散系数得到的微观组织模拟结果与实验结果均相差不大。     

高温合金涡轮叶片定向凝固过程数值模拟研究进展

高温合金涡轮叶片被广泛应用于航空发动机与燃气轮机,数值模拟技术能优化和改进涡轮叶片定向凝固工艺,提高成品率。本文总结了国内外高温合金涡轮叶片定向凝固过程宏、微观数值模拟模型,介绍了其发展趋势。对高速凝固(HRS)和液态金属冷却(LMC) 2种工艺下高温合金叶片宏观温度场、介观晶粒组织与微观枝晶组织做了模拟仿真,对比分析了2种定向凝固工艺下的传热过程和微观组织演化规律。介绍了变抽拉速率工艺在高温合金定向凝固中的应用,以实际叶片作为算例,对比了常抽拉速率与优化的变抽拉速率对涡轮叶片温度场、晶粒组织的影响。结果表明,优化的变抽拉速率工艺能够改变上凸或者下凹的糊状区形状,得到平直的糊状区与平行的晶粒组织,有利于提升叶片高温力学性能。     

基于CA方法的Ti-45Al合金定向凝固过程微观组织模拟

采用CA方法建立了Ti-45Al(at.%)合金定向凝固过程中的组织演变数值计算模型,考虑了二元合金包晶反应过程,对液态金属冷却定向凝固过程中Ti-45Al合金的组织演变进行了模拟。模拟结果表明,定向凝固组织分为初生等轴晶组织、稳定生长的柱状晶以及中间过渡区域3部分,柱状晶一次臂间距随抽拉速度增大而减小。Ti-45Al合金在0.1 mm/min抽拉速度条件下,得到了以初生β相为主的凝固组织,在枝晶间溶质富集处有少量的包晶相析出,与相关试验结果基本一致。     

合金凝固过程中显微组织演化的元胞自动机模拟

元胞自动机(cellular automaton,CA)方法能够有效地描述凝固过程中显微组织形貌的复杂演化过程,且计算效率较高,展现出良好的实际应用潜力.近20年来,CA模型取得了很大的进展.本文简要综述几种模拟凝固组织的CA模型,包括纯扩散和对流作用下的枝晶生长、共晶凝固、多元合金中的热力学和动力学耦合、枝晶耦合凝固气孔的生长、以及多尺度的耦合模拟.最后,对今后CA模型的发展提出作者的几点思考.     

TiAl合金常规条件下凝固组织模拟

对Ti Al合金常规凝固条件下微观组织形成过程进行了模拟研究,建立了相应的宏观传热、等轴枝晶形核生长二维数学模型,采用一种改进的CA方法与有限差分法耦合进行凝固过程数值计算。结果表明,初生β相形态与实验结果符合较好。在散热小的中心区域,一次枝晶容易长成纺锤形。     

Al-Cu合金铸造工艺的计算机模拟研究

采用铸锭冶金法制备了Al-Cu铸造合金,运用计算机模拟的方法研究了合金成分、浇注温度与冷却强度等工艺参数对凝固组织的影响。研究结果表明,凝固组织的实验结果与计算机模拟结果可以较好的吻合,通过建立成分、浇注工艺参数、微观组织与材料性能之间的对应关系,可以实现Al-Cu合金铸造工艺的在线精确控制。