硬铝合金半连续铸造过程数值模拟及裂纹倾向性研究

对凝固过程中流场、应力场、温度场及微观组织形态进行数值模拟,能帮助工艺设计人员分析不同时刻凝固过程的温度分布、金属流态、结晶晶粒尺寸、应力分布等重要物理参数,从而预测疏松、偏析、夹杂及热裂纹等缺陷.在结晶器下方设置区域冷却装置,控制区域冷却装置刮水板的作用位置,能够阻挡冷却水沿铸锭下流,实现区域冷却的效果.通过研究温度场、应力场分布规律,分析铸锭裂纹产生的原理,能够从宏观上阐明铸锭内部裂纹的形成原因及寻找有效的调节控制方法.     

Al-Mg-Si-Cu合金近液相线半连续铸造组织研究

采用近液相线半连续铸造方法制备了Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu合金半固态锭坯,研究了浇注温度和铸造速度对锭坯微观组织的影响.合金熔体在750℃下浇注,组织不均匀,边部是细小的晶粒,1/2半径和中心部位是粗大的枝晶,最小晶粒直径25μm,最大晶粒直径达220μm;660℃保温后浇注,可以获得适合半固态加工的均匀、细小的近球形组织,锭坯中心和边部组织差异小,平均晶粒尺寸为36.5μm;铸造速度达150 mm/min时有利于均匀、细小的近球形组织形成.结果表明,对于Al-1.2Mg-0.8Si-0.4Cu铝合金采用近液相线半连续铸造可以获得理想的半固态浆料.     

工艺因素对SCM435钢大方坯凝固组织的影响

为了模拟不同工艺条件下的连铸坯的凝固组织,采用有限元法模拟了SCM435钢的连铸凝固过程,获得了325 mm×280 mm连铸坯的温度场,在此基础上与元胞自动机(Cell automaton,CA)耦合模拟凝固组织.结果表明,随浇注温度的降低,柱状晶区逐步减少,表面细晶区及中心等轴晶扩大,晶粒密度逐步增加,最大晶粒面积及平均半径大大减少;但中心凝固所需要的时间反而有所增加,中心处的晶粒的平均半径先降低后升高;拉速对凝固位置的影响较为显著,随拉速的增加,晶粒密度逐步减少,柱状晶宽度与中心处的等轴晶半径略有增加.     

电子束冷床熔铸大规格TA1纯钛扁锭的多道次降温热变形行为研究

针对电子束冷床(EB)熔铸的8 000 mm×1 570 mm×200 mm规格TA1纯钛扁锭，沿轧制方向取样后利用Gleeble-3500热模拟试验机在不同变形参数下进行总变形量75%的多道次降温热压缩实验，研究了不同部位铸态扁锭的多道次压缩热变形行为、微观组织及其细化机理.结果表明：随着道次变形温度从890℃降低到850℃,变形量从13%提高到17%,流变应力呈阶梯升高而道次间软化率逐渐降低；多道次热压缩后，铸态粗大的等轴晶和柱状晶由于发生动态回复与再结晶及静态软化现象，破碎细化成较为细小均匀的等轴α相，平均晶粒尺寸由3.5 cm降至21μm,铸锭不同部位微观组织显示出相似的变化规律；综合分析，EB炉熔铸的TA1纯钛扁锭在相变点以上开始塑性变形并在α相区完成大部分变形，能够提高动态再结晶过程中的形核率，有利于细化热轧组织.     

真空定向凝固对钛硅合金相分离及晶体生长的影响

Ti-85wt.%Si合金熔体通过定向凝固后成功地实现了Si相的分离和TiSi_2晶体的定向生长.研究发现,定向凝固下拉速度为15μm/s时,铸锭的分离界面呈包裹式分布,而3μm/s时铸锭的分离界面横向分布在铸锭的中下部;当下拉速度为3μm/s时,TiSi_2晶粒出现层状结构并且沿某一确定方向生长,并且随着定向凝固的进行,富集层厚度逐渐增加,导致铸锭底部散热能力比侧壁散热能力弱,导致沿铸锭侧壁温度梯度大于沿铸锭底部的梯度,此时TiSi_2将在侧壁形核并沿纵向温度生长,由于侧壁晶粒生长速度大于底部晶粒生长速度,使得分离界面出现弧形结构.当下拉速为3μm/s时获得铸锭的富Si层中Si的质量分数最大,为79.9%.     

工艺参数对大方坯结晶器流场和温度场影响的数学模拟

利用Fluent软件针对大方坯结晶器建立了三维有限差分模型,计算了连铸结晶器内的流场和温度场,分析了浸入式水口倾角和水口出口面积对结晶器内流场和温度场的影响。当拉坯速度为0.5 m/min、水口浸入深度为120 mm时,大方坯结晶器流场和温度场分布较为合适。     

功率超声对纯铝凝固过程的影响及衰减特性分析

研究了超声波对凝固过程的影响,探讨了不同超声功率对纯铝凝固过程冷却温度变化,声流和空化对细化晶粒的作用,实验结果表明:在不同超声功率下处理的铸锭,凝固时间缩短,温度分布更加均匀,温度梯度场变小,在不同功率超声振动下凝固组织平均晶粒尺寸从500 μm变成为90 μm,但随着超声功率的增加细化程度不再明显.超声的衰减作用使铸锭不同位置的晶核细化程度有很大的不同,由于空化效应和声流搅拌双重作用效应,使凝固组织细化程度提高.     

拉坯速度对连铸结晶器中流型结构影响的水模拟研究

根据相似理论，研究了3种拉坯速度下结晶器中的流型结构，分析了它们对板坯缺陷形成的影响，当拉速较大时，结晶器熔池顶面形成紊流，易卷入保护渣、气体等，从而形成缺陷，影响板坯质量，此外，水口浸入深度越深及水口出口倾角越大，回流区内夹杂物越不易上浮。     

钛合金冷坩埚定向凝固过程温度场数值模拟

基于电磁场Maxwell方程组以及带有一定运动速度的连续介质凝固模型,建立了连续熔铸与定向凝固过程温度场数值计算模型,并对线圈匝数为4匝、输入电流密度为6.6×1010A/m2、电源频率为50 000 Hz时,扁形锭的电磁感应加热升温过程进行了模拟研究,得出了Ti-6Al-4V合金的温度场变化情况.结果显示,从开始加热的几十秒时间内,扁形铸锭温度上升很快;接近100 s时,铸锭温度分布趋于稳定;接近300 s时,铸锭自身基本达到热量平衡.     

6061铝合金增材制造温度场仿真

针对6061铝合金的电子束选区熔化(Selective Electron Beam Melting, SEBM)过程,采用ANSYS构建了温度场仿真三维有限元模型。考虑材料的热物性参数随温度的变化特性,通过高斯面热源在粉末床上移动,研究了电子束功率、扫描速度和铝合金预热温度对熔池尺寸、熔池热历史的影响,为6061铝合金电子束选区增材制造工艺参数的选择提供理论依据。研究结果表明：熔池宽度、熔池深度随着电子束功率、预热温度的增大而增大;输入线能量小于0.19 J/mm时,熔池深度、宽度均随着扫描速度的增大而减小,熔池长度随扫描速度的增大而增大;当输入线能量大于0.19 J/mm时,熔池深度、宽度均随着扫描速度的增大而增大,但增大速率减小,熔池长度随扫描速度的增大而减小。电子束功率是影响熔池冷却速率的主要因素。不同扫描路径的粉末层温度分布不同,采用合理的扫描路径可使得整个零件的热分布更加均匀。     

选区激光熔化成形AlSi10Mg合金组织研究

采用选区激光熔化成形方法制备了AlSi10Mg合金,并对其内部组织进行了分析.结果表明:AlSi10Mg合金横截面激光熔道呈长条状,熔池区内为细小弥散分布的胞状晶,熔池区边缘主要为尺寸较大的胞状晶.AlSi10Mg合金纵截面呈鱼鳞状,熔池区内主要为柱状晶,熔池区边界主要为胞状枝晶.熔道搭接区主要为取向不一致的粗大胞状枝晶.产生上述现象主要是由于熔池区内温度梯度小,溶质分布均匀,且过冷度较大,利于形成取向相同且细小的晶粒.在熔池区边界,后续熔化的熔池对已凝固的合金进行重熔,使已凝固区合金再结晶并长大,形成尺寸较大的晶粒.熔道搭接区不同熔池内热传递方向不同,且晶粒具有外延生长的特性,在搭接区形成取向各异的胞状枝晶.     

电渣重熔宏微观多尺度数值研究进展

电渣重熔过程伴随着电磁、流动、传质和传热等一系列复杂的宏观传输现象,同时伴随金属熔体形核和生长等一系列微观现象,宏微观现象之间彼此相互影响、相互制约,决定着最终重熔铸锭质量。在过去几十年里,研究者已经建立了电磁场、流场、温度场和溶质场宏观传输数学模型,揭示了电渣重熔体系内电流强度、磁感强度、焦耳热、电磁力、温度和溶质元素分布,以及渣金两相流动。最近,研究者建立了电渣重熔铸锭凝固微观组织数学模型,揭示了电渣重熔过程铸锭凝固组织演变规律和金属熔池形貌,以及重熔工艺对铸锭凝固组织的影响规律。然而,要全面揭示电渣重熔过程复杂的宏微观传输现象,还需要在电渣重熔过程熔渣内带电离子迁徙行为、电化学反应、枝晶间溶质扩散与流动、铸锭凝固收缩等方面进一步深入研究。     

SCR生产线结晶腔铜液凝固行为及质量控制

结合现场生产实践经验,研究了SCR连铸连轧生产线连铸系统结晶腔内铜液凝固行为及其影响因素,探讨了浇铸温度、拉坯速度、乙炔流量、冷却水控制等各铸造工艺参数对铜液凝固行为的影响机理(铜液温度场流场及凝固结晶行为),并分析了铸坯组织缺陷形成原因(浇铸温度、拉坯速度、冷却水流量等波动大),提出了铸坯质量工艺优化方法.本文研究成...     

导电结晶器电渣重熔空心钢锭电场和温度场的数值模拟

建立了导电结晶器电渣重熔空心钢锭的数学模型.利用有限元软件ANSYS对导电结晶器电渣重熔空心钢锭进行了稳态的电热耦合分析,计算了不同供电方式对电渣重熔空心钢锭体系温度场的影响,进而分析了体系电场和温度场分布对空心钢锭质量的影响.不同供电方式对重熔体系电场、温度场影响的计算结果表明:采用外结晶器导电的电极,能促进电渣池温度均匀,进而使金属熔池更加浅平、均匀.     

连铸式液态电渣浇注圆锭表面质量的影响因素

用连铸式液态电渣浇注技术生产45#号钢,探讨了直径为1 000 mm圆形铸锭表面质量的影响因素.实验结果表明:合适的钢水浇注温度(1 606℃);较高电压(80 V)和稳定的电流(18 kA);使用专用预熔渣;均匀稳定、适量的二次冷却控制;始终稳定的抽锭速度(8~10 mm/min)都是钢锭获得良好的表面质量比较重要的影响因素.     

包钢大方坯连铸机结晶器凝固传热的数值模拟

根据包钢的现场条件,建立了大方坯连铸机结晶器内二维非稳态凝固传热数学模型,采用有限差分法对数学模型求解,得出结晶器中铸坯的温度分布规律和凝固坯壳生成规律,同时研究了拉坯速度对坯壳生成厚度的影响。     

Al-Si合金(A357)重力铸造充型及凝固过程模拟

利用多通道数据采集系统对铸件特定部位的温度进行测量,以掌握该点的凝固和补缩,并利用O lym pu s金相显微镜观察铸件关键部位的宏观组织,进而分析其凝固方式.用商业化模拟软件Z-C ast对铝合金拉伸试棒充型及凝固过程进行模拟,对实际浇注实验中测试点的温度场进行模拟,并将模拟结果与实验结果进行比较.结果表明,当金属铸型的预热温度较低时,必须采用较高的浇注温度才能够使铸型充满,试棒在凝固过程能够得到有效补缩,从而消除了由于糊状凝固造成的显微缩松.铸造模拟软件Z-CA ST能够准确的模拟铝合金铸件充型凝固过程,提供较准确的流场、温度场信息,预测缺陷及其出现位置.     

一机四锭低频电磁铸造铝合金理论研究

通过ANSYS有限元对四锭低频电磁铸造铝合金时,结晶器外套材料对铸锭内部磁感应强度的影响以及4个线圈之间磁场相互影响进行了数值模拟,结果表明,当结晶器外套为导磁材料A3钢时,可以增大铸锭内部的感应强度;对多流低频电磁铸造来说,推荐线圈之间的最佳距离为:相邻线圈电流方向相同,线圈之间的距离应大于30 mm.     

A356铝合金低过热度浇注的铸造显微组织研究

采用低过热度浇注技术制备半固态A356铝合金，研究了冷却强度、保温时间、浇注温度对铸造显微组织的影响．研究结果表明，在液相线附近，冷却强度大，晶粒细小；随着保温时间的延长，晶粒变大，形状变得圆整，结晶组织均匀；浇注温度越高，晶粒越粗大；铸锭中心部位组织比边缘部位组织粗大，且均匀，球化明显．低过热度浇注可以获得理想的A356铝合金半固态浆料．半固态坯料重熔加热温度为585℃，保温30min，α-Al相逐渐变成球状，此时，晶粒平均等级圆直径为42．6μm，晶粒平均圆度为2．13．     

激光增材制造高性能大型钛合金构件凝固晶粒形态及显微组织控制研究进展

简要介绍高性能大型关键金属构件激光增材制造的技术特点,总结本团队在高性能大型关键钛合金构件激光增材制造过程中,对凝固晶粒形态和显微组织控制的主要研究进展:发现了钛合金构件激光增材制造过程中熔池底部外延生长和顶部异质形核两种主要形核生长机制,建立了基于增材制造工艺参数及凝固条件控制的全柱状晶、全等轴晶和柱状晶-等轴晶混合组织等凝固晶粒形态主动控制技术;发现了激光增材制造双相钛合金构件高性能特种双态显微组织新形态,并建立其固态相变理论及显微组织主动控制技术。