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。     

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.     

自然对流条件下柱状晶/等轴晶转变过程模拟

建立了耦合流场、浓度场、温度场的CA-LBM模型,采用该模型再现了合金在自然对流条件下柱状晶向等轴晶的转变过程,并与无对流条件下的凝固组织作对比,研究了自然对流对温度场和CET转变的影响。结果表明:自然对流促进了热的输运,加速了凝固进程,使柱状晶向等轴晶的转变提前,有细化晶粒的作用。     

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。     

VAR过程中Ti-1023合金凝固组织和偏析行为的研究

采用SEM、XRD及化学成分分析等方法,分析了真空自耗电弧熔炼(VAR)过程中Ti-1023铸锭的凝固组织及相组成,研究了搅拌磁场对铸锭宏微观偏析行为的影响。结果表明,等轴晶区主要为针状和片层状的α相结构,而柱状晶区中等轴颗粒状的α相结构较多;在铸锭柱状晶和等轴晶内,Fe含量沿晶粒生长方向逐渐增加,且等轴晶内Fe的偏析程度要大于柱状晶内的;施加搅拌磁场后,Fe在柱状晶和等轴晶内的偏析程度都有所减小,同时Fe在Ti-1023铸锭中的宏观偏析程度降低,这对该合金中β斑的形成具有重要的影响。     

两种CA生长模型对CET过程计算结果的比较

采用元胞自动机法(CA)计算铸锭的凝固组织,围绕宏观偏析的宏/微观耦合计算问题,针对微观组织模型的选取,本文从元胞尺度为介观(100μm×100μm)和微观(10μm×10μm)两个方面,以Al-4.7wt%Cu合金铸锭为例,分别从1能否计算出柱状晶向等轴晶转变(CET)过程;2能否计算出生长过程的二次枝晶;3能否较准确计算出晶粒的溶质分布情况;4计算效率快慢等四个方面对元胞自动机模型中的KGT模型和溶质扩散性模型进行了对比计算。结果发现,溶质扩散性模型在计算二次枝晶生长及溶质分布情况等方面有绝对优势,但其计算效率相比较而言仍待提高。     

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.     

镍基合金TIG焊接熔池及热影响区组织模拟

基于枝晶生长动力学和晶粒长大理论,采用元胞自动机法(CA)建立了焊接熔池及热影响区的微观组织演变模型. 通过有限元模型计算了TIG焊接过程的温度场分布,并利用插值算法将热循环曲线应用于CA模型,计算了镍基合金TIG焊接熔池凝固过程枝晶生长及热影响区的晶粒长大. 结果表明,焊缝边缘的晶核主要以柱状晶的形式向焊缝中心生长,其最终形貌取决于半熔化母材晶粒上的联生结晶及不同取向枝晶间的竞争生长,焊缝中心为等轴晶组织. 焊接热影响区的晶粒长大使得熔池凝固形成的柱状晶组织粗大. 模拟结果与试验结果吻合较好.     

镍基合金TIG焊接熔池及热影响区组织模拟

基于枝晶生长动力学和晶粒长大理论,采用元胞自动机法(CA)建立了焊接熔池及热影响区的微观组织演变模型.通过有限元模型计算了TIG焊接过程的温度场分布,并利用插值算法将热循环曲线应用于CA模型,计算了镍基合金TIG焊接熔池凝固过程枝晶生长及热影响区的晶粒长大.结果表明,焊缝边缘的晶核主要以柱状晶的形式向焊缝中心生长,其最终形貌取决于半熔化母材晶粒上的联生结晶及不同取向枝晶间的竞争生长,焊缝中心为等轴晶组织.焊接热影响区的晶粒长大使得熔池凝固形成的柱状晶组织粗大.模拟结果与试验结果吻合较好.     

真空自耗电弧熔炼γ-TiAl合金铸锭凝固组织模拟

采用CAFE模型对真空自耗电弧熔炼γ-TiA1合金铸锭凝固组织进行了数值模拟,在CAFE模型中分别采用高斯分布连续形核模型和扩展KGT模型描述晶粒形核和枝晶尖端生长速率.研究了熔炼速率、界面传热系数和形核参数对铸锭凝固组织的影响.结果表明,增大熔炼速率或者增大最大形核密度,均有利于促进等轴晶形成,抑制柱状晶晶粒长大;增大平均形核过冷度或者增大界面传热系数,均有利于促进柱状晶的形成和晶粒长大;标准方差过冷度对铸锭凝固组织几乎没有影响.     

凝固过程中自然对流作用下组织演化模拟

以Fe-C二元合金铸锭为例，模拟了其冷却过程中自然对流对凝固组织形成的影响。首先采用有限差分方法计算宏观温度场、速度场和溶质场。然后将计算得到的温度场和溶质场作为已知值耦合元胞自动机方法(CA)对铸锭的组织演化进行模拟。通过模拟发现，在冷却过程中自然对流改变了铸锭内的温度场、速度场和溶质场的分布，进而影响到凝固组织的形貌。     

超声振动辅助激光熔化沉积316L不锈钢的微观组织演变研究

在激光熔化沉积316L不锈钢的过程中耦合不同功率的超声振动,研究了超声功率对晶粒形态尺寸、凝固组织形成机制以及晶粒生长特性的影响。研究表明,激光熔化沉积过程中316L不锈钢晶粒发生定向凝固外延生长,形成粗大的柱状晶。施加超声会将沿[100]方向外延生长的粗大原生柱状晶打碎,产生细化晶粒的效果;沿柱状晶外延生长方向传递的超声振动增大了晶粒内沿长轴方向的累积取向差,提高了平均位错密度。施加超声有助于加强熔池流体的对流,降低沿沉积方向的温度梯度,使得垂直生长的柱状晶更快转变为八字形柱状晶;同时提高合金凝固冷速,使得柱状晶宽度以及晶粒内部一次枝晶列间距减小,实现宏观晶粒尺寸与微观枝晶间距的细化。     

VAR工艺参数对Ti-10V-2Fe-3Al铸锭凝固行为的影响

采用真空自耗电弧熔炼(VAR)工艺制备Ti-10V-2Fe-3Al铸锭,研究了熔炼电流和搅拌磁场等工艺参数对铸锭凝固行为的影响,并对真空自耗电弧熔炼过程中起弧、熔炼、补缩等阶段的凝固组织及熔池形貌进行了分析。结果表明,在未加搅拌磁场时,熔池较窄,铸锭组织粗大,而施加搅拌磁场后,熔池变宽且旋转明显,铸锭宏观组织中的晶粒变小;随熔炼电流增大,熔池加深,凝固组织中的晶粒变得粗大。     

基于二次枝晶间距变化特征的连铸方坯CET位置判断新方法

从碳钢连铸坯实际凝固组织入手对典型枝晶二次枝晶间距(secondary dendrite arm spacing,SDAS)进行测量分析,并发现了铸坯表面向中心凝固过程中的SDAS突增现象。结合铸坯横断面二维温度场数值模型分析可知,柱状晶向等轴晶转变(columnar to equiaxed transition,CET)的过程会影响铸坯内部的传热过程,这种影响最终以典型枝晶SDAS突增的形式体现出来。基于典型枝晶SDAS突增现象,确立了铸坯内部CET定量判定的新方法,即将典型枝晶SDAS最大增加率的起始位置确定为铸坯内部CET起始位置。计算所得CET位置与铸坯内部温度梯度变化拐点的最大相对误差仅为8.3%,且与生长速率变化区间相对应,同时也与实际凝固组织形貌转变位置吻合,证明了该方法的有效性。     

枝晶生长模型对双辊薄带连铸组织模拟的影响

枝晶生长模型的选择对于准确预测金属凝固组织有着决定性作用。LGK和KGT是目前应用较广的模型,分别使用LGK和KGT模型对凝固组织进行模拟比较,选择适用于双辊薄带连铸过程的枝晶生长模型。研究结果表明,KGT模型的模拟结果显示了晶粒吞噬、柱状晶向等轴晶转变(CET)等金属凝固现象,而LGK模型则无此现象。因此KGT模型能更加准确地预测双辊薄带连铸的凝固组织,试验结果的验证也证实了这一结论。     

IN718高温合金水平定向凝固和真空电弧重熔过程中“黑斑”形成的多组元数值模拟

建立了多组元两相模型来描述IN718高温合金凝固过程中的宏观/微观传输和“黑斑”形成,并应用动态网格算法模拟真空电弧重熔（VAR）过程中的填充过程。首先,使用热力学计算方法求解液相成分随固相分数的变化,并获得多组元合金的枝晶间液相密度。之后模拟了水平定向凝固工艺下形成的“黑斑”,并与实验结果进行对比,研究其形成机理和影响因素。最后,利用所开发的模型来研究工艺参数对工业规模VAR铸锭中“黑斑”的影响。结果表明,元素组成对凝固过程中液相的密度变化有显著影响,“黑斑”的形成伴随着高热溶质对流强度。“黑斑”的生长方向由液相密度差和凝固界面相对重力方向的角度决定。在VAR过程中,熔池形状受电极熔化速率和冷却速率影响。     

采用CA-LBM模型对单个纯铝晶粒运动和生长的研究

建立了一个基于二维的元胞自动机(cellular automaton,CA)-格子Boltzmann方法(lattice Boltzmann method,LBM)模型,对纯金属铝在凝固过程中单个晶粒漂移进行了模拟研究。对单个晶粒自然对流条件下的下落过程、以及在侧向强制对流条件下的下落过程中的生长过程进行了计算研究。结果表明:在静止情况下,当存在自然对流时,晶粒在竖直方向上呈现非对称生长的形貌特征;当晶粒在重力作用下垂直下落,且存在自然对流时,晶粒在垂直方向上的非对称性生长更为显著;当晶粒在侧向强制对流及重力条件下下落时,晶粒在竖直方向和水平方向上均呈现出非对称生长特征,且竖直方向的不对称性更为强烈。     

AZ80镁合金低压脉冲磁场半连续铸造过程的数值模拟和实验研究

采用有限元方法对AZ80镁合金低压脉冲磁场半连续铸造过程的电磁场、流场和温度场进行数值模拟,对铸锭的组织进行观察和分析,并与普通半连续铸造铸锭晶粒组织进行对比。模拟结果表明:在低压脉冲磁场半连续铸造过程中,结晶器中的熔体受脉冲电磁力作用产生强迫对流和电磁振荡,使得熔体的径向温度梯度有所降低。组织观察结果显示,与普通半连续铸锭相比,低压脉冲磁场半连续铸锭晶粒明显细化,枝晶尖端发生钝化。在低压脉冲磁场半连续铸造凝固过程中,结晶器壁附近形核的临界形核半径和临界形核功有所降低,同时脉冲磁场形成的熔体对流使结晶器壁处形成的晶核随着对流扩散到熔池内部,使形核率增加,另外脉冲磁场能够通过尖端钝化的方式抑制晶粒的生长,从而造成低压脉冲磁场铸锭的晶粒细化。     

真空自耗电弧熔炼电流对Ti-10V-2Fe-3Al铸锭凝固组织的影响

研究真宅自耗电弧熔炼(VAR)条件下熔炼电流对Ti-10V-2Fe-3Al合金凝固组织的影响,分析VAR熔炼中熔池内部的对流类型,基于安培定理,建立VAR熔炼条件下熔池中的洛仑兹力与电流、磁场及铸锭半径的关系.结果表明:熔炼电流较低时,浮力的影响占据主要地位,加速热量的散失,铸锭中组织细小;随着熔炼电流变大,熔池中电磁力(洛伦兹力)的影响逐渐占据主要地位,将表面的热量带入熔池内部,增大了温度梯度,使铸锭组织变得粗大.     

基于CAFE模型的镍基合金定向凝固过程显微组织模拟

采用CAFE模型(Cellular automata finite element method)模拟第二代镍基高温合金CMSX4凝固过程中的晶粒生长,并探讨浇注温度和冷却速度对凝固组织的影响。结果表明:凝固开始时,首先在铸锭底部会形成一层取向随机的细小等轴晶,由于晶粒间的竞争生长,晶粒数目减小,晶粒尺寸增大,?001?晶向与热流方向偏离角较大的晶粒逐渐被偏离角较小的晶粒淘汰。浇注温度的提高会使晶粒尺寸变大、晶粒数目变小,而冷却速度的升高却会使晶粒尺寸变小,与理论分析一致。