Pb-Sn合金定向凝固斑点偏析的数值模拟

为了探究二元合金垂直定向凝固过程中斑点偏析的形成过程,建立了定向凝固条件下速度场、溶质场及温度场耦合求解的数学模型,并利用该模型模拟了Pb-10wt%Sn合金圆柱形铸锭内的定向凝固过程。结果表明,造成斑点偏析的流动起源于液相区而非糊状区内,富含溶质的流体不断向糊状区通道处流动聚集,并通过糊状区从液相区持续补充通道内的流动。凝固结束后在铸锭内部形成了细长的溶质富集通道,顶部斑点分布在以铸锭半径的1/2为半径的圆弧附近,这一结果由实际生产铸锭的斑点偏析情况得以验证。     

Pb-Sn合金凝固通道偏析的实验与数值模拟研究

通过实验和数值模拟研究了Pb-19%Sn合金侧向凝固过程中的通道偏析.结果表明:铸锭侧向冷却时,糊状区中的富集溶质(Sn)由于密度小而向上运动.固相分数愈大,枝晶间流动强度愈小.偏析通道中的富集溶质相对于周围凝固时间长;通道由糊状区向最后凝固区域生长.侧向凝固的铸锭在顶部形成正偏析,在底部形成负偏析,在表面形成"沟槽"偏析,在铸锭内部形成A形偏析.基于本文数学模型的数值模拟结果与实验模拟结果一致,可反映侧向凝固与通道偏析的形成规律.     

功率超声对Pb-Sn合金凝固行为的影响

研究了功率超声对铅锡合金凝固过程的影响,分析了其影响机制.结果表明,在功率超声作用下,声空化效应和声流效应使含铅5%的铅锡合金的凝固组织明显细化,并且经过功率600W的超声处理后,先析出相的析出温度升高3℃,凝固温度升高了5℃.随着超声功率的增加,合金组织的细化程度提高,但功率提高到一定程度时,细化作用减弱.     

GH742y合金凝固偏析行为

采用组织分析和差热分析相结合的方法系统研究GH742y合金的凝固偏析行为和铸态组织形成规律。GH742y合金枝晶偏析严重,组织析出复杂:Cr、Co、W、V和Al偏析于枝晶干,而Nb、Ti和Mo等元素在枝晶间的富集导致一次和二次γ′相、(γ γ′)共晶、MC碳化物、M6C碳化物、Laves相和δ相的析出;稀土元素La和Ce的偏析导致Ni5Ce相和富氧硫稀土相的枝晶间析出。相分计算表明,严重的元素偏析以及大量富Nb和Ti相的析出是σ相和μ相等有害TCP相析出的主要原因。GH742y合金的凝固顺序为:γ基体、MC碳化物、一次γ′相、(γ γ′)共晶、Laves相、Ni5Ce相和M6C碳化物。     

GH3044合金宏观偏析行为及凝固过程中元素偏析规律研究

利用扫描电镜和能谱分析研究了产生黑斑的GH3044组织,采用Thermal-Calc分析方法研究了合金凝固过程中液体成分变化,并计算了合金凝固时液体密度的变化,给出了GH3044合金平衡凝固时密度反转的范围。结果表明:合金GH3044黑斑区主要是由Cr,W的碳化物相和少量高W(Cr)的体心立方相组成,合金在凝固过程中约有0.0125g·cm-3·℃-1较大的密度反转。     

冷却速度对GH4710合金凝固过程偏析行为的影响

采用凝固重熔物理模拟实验,研究了不同冷速下GH4710合金凝固过程的元素偏析规律。结果表明,不同冷却速度下,GH4710合金中Ti元素的偏析程度最严重,Al、Co、Cr的偏析程度较低,当冷速超过3℃/min时,Al、Co、Cr的偏析系数受冷速变化的影响不明显。进一步的相图计算及微观分析表明,GH4710合金在非平衡凝固条件下,沉淀强化元素Al、Ti主要为正偏析元素,主要在枝晶间形成γ'相或γ/γ'共晶相,而合金中固溶强化元素Cr、Co元素在固相中富集,在液相中贫乏,具有典型的负偏析特征。GH4710合金元素的偏析行为主要取决于凝固过程的冷却速率及非平衡相变的综合作用。     

螺旋磁场对Pb-Sn合金成分偏析的影响

测试分析新型电磁搅拌器内螺旋磁场和旋转磁场的磁感应强度、分布和作用规律,研究螺旋磁场对Pb-80%Sn过共晶合金凝固组织影响的作用机理,并与无磁场和旋转磁场条件下合金凝固组织的形貌特征及成分分布进行对比分析。结果表明:螺旋磁场相比于旋转磁场可以在铸锭内部更大区域内形成均匀搅拌,更易于破碎和细化枝晶组织,既能促进椭球或球状晶的生成,又能更好地改善宏观偏析;在频率一定的情况下,初生相晶粒尺寸随着励磁电流的增大而减小;当励磁电流为125A时,旋转磁场和螺旋磁场细化晶粒的效果最好;继续增大电流,晶粒产生粗化;螺旋磁场可基本消除成分偏析,并在较小励磁电流(100A)下达到采用旋转磁场(125A)时的最佳搅拌效果。     

Pb-Sn合金在功率超声场中的凝固过程研究

研究了功率超声在铅锡合金凝固过程的作用,分析了超声功率、施振温度、熔体的冷却方式等参数的影响机制。结果表明,在功率超声作用下,声空化效应和声流效应使含铅5%的铅锡合金的凝固组织明显细化,随着超声功率的增加,合金组织的细化程度提高,但功率提高到一定程度时,细化作用减弱;施振温度、熔体的冷却方式等参数对超声在铅锡合金凝固过程的作用有较大的影响。     

侧向凝固通道偏析的数值模拟

建立了二元系凝固过程通道偏析形成的数学模型,给出了描述焓与温度及固相分数耦合关系的表达式.在实验验证的基础上,对亚共晶与过共晶成分的NH4Cl-H2O侧向凝固通道偏析的形成位置与生长方向进行了数值模拟研究.模拟计算结果表明,偏析通道起源于糊状区,偏析通道中的富集溶质从糊状区流向液相区.为了维持偏析通道中的液体流动,枝晶间液体可通过糊状区从液相区得到补充.糊状区中富集溶质的流动方向取决于析出溶质的密度.NH4Cl-70%H2O侧向凝固时,析出的溶质密度较小,偏析通道倾斜向上生长,在糊状区上部形成A偏析.NH4Cl-90%H2O侧向凝固时,析出的溶质密度较大,在糊状区下部偏析通道倾斜向下生长.     

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。     

ZL205A合金元素偏析行为

在ZL205A合金中,Cu和Mn为负偏析元素,Ti、v和Zr为正偏析元素,Al呈现微弱的偏析,合金元素偏析程度由重到轻的顺序为:Cu＞Mn＞V＞Ti＞Zr＞A1;剩余液相的密度随着温度的降低而升高,计算结果表明,温度对液相密度的影响很小,合金元素的偏析对液相密度的影响占主要地位,其中A1、Cu和Mn的偏析导致液相密度增加,而Ti、V和Zr元素的偏析导致剩余液相密度的减小.     

旋转磁场作用下Pb-Sn合金的凝固组织

采用自行设计的旋转磁场,研究了在不同转速和不同磁感应强度下旋转磁场对Pb-45Sn亚共晶和Pb-64Sn过共晶合金凝固组织的影响,并与常规条件下的凝固组织进行对比.试验结果表明,对Pb-45Sn亚共晶,旋转磁场可以明显的碎断枝晶,细化晶粒;对Pb-64Sn过共晶,旋转磁场可以消除常规条件下的重力偏析,枝晶间的共晶组织被粗化,并有团状组织生成.试验发现,随着磁感应强度和转速的增大,Pb-45Sn亚共晶和Pb-64Sn过共晶凝固组织中等轴晶的数目均增多.     

流动条件对Pb-Sn合金定向凝固过程雀斑形成的作用

研究了不同流动条件下Pb-Sn合金进行定向凝固时,试样中雀斑的形成特征。结果表明:在温度梯度为57 K/cm,抽拉速率为6μm/s的条件下,石墨套厚度为15 mm时,在直径为7、12和20 mm的3种试样出现了中心雀斑;石墨套厚度为10 mm时,直径7 mm和12 mm的试样出现边缘雀斑,直径20 mm试样仍然是中心雀斑;在石墨套厚度为5 mm时全部试样均未出现雀斑;这说明强自然对流条件下试样中易出现大的中心雀斑;当加入弱强迫对流后,尺寸大的中心雀斑消失,而出现少量的边缘雀斑;在加入较强的强迫对流后,所有雀斑消失。     

Haynes230合金凝固过程中的相变及元素偏析

利用差热分析(DTA)研究了Haynes230合金凝固过程的相变,结合光学显微镜(0M)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)及能谱仪(EDS)分析了该合金的凝固组织和偏析程度,计算了主要偏析元素的偏析系数.结果表明:Haynes230合金铸态组织主要是由γ固溶体基体,M6C型碳化物和W(Cr)的体心立方相组成,合金的凝固顺序为L→L γ→L (γ M6C) γ→M6C W(Cr) γ,Cr、W、Mo元素的偏析系数分别为2.03、1.96、1.81.     

ZL205A合金晶界偏析行为研究

利用SEM和XRD研究了ZL205A合金铸件Cu元素晶界偏析。结果表明:结晶过程中Cu元素自发往晶界偏聚,晶界偏析宏观形貌为弯曲条状,曲线条之间相互平行,偏析组织是Al2Cu共晶相,呈枝晶状、网状和散乱碎片状分布在粗化的晶界上;晶界偏析与热裂具有较大相关性。     

镍基高温合金GH4282的凝固和偏析行为

采用差示扫描量热（DSC）分析、显微组织观察和热力学计算相结合的方法对镍基高温合金GH4282的凝固过程和元素偏析行为进行研究,得到了合金的凝固顺序以及元素偏析特征。结果表明,GH4282合金的凝固顺序为：γ基体、MC碳化物以及少量的硼化物。由DSC测得的合金GH4282合金的固-液相温度范围为1316~1367 ℃,MC、M6C型碳化物和γ′相的溶解温度分别为1338 ℃、1092 ℃和1003 ℃。热力学计算结果表明,GH4282合金在凝固过程C、B、Ti和Mo偏聚于枝晶间,Al偏析于枝晶干,Cr、Fe和Co几乎不发生偏析,这与铸态组织观察到的元素偏析特征是一致的。     

螺旋磁场下Pb-Sn合金凝固过程的数值模拟与实验研究

通过数值模拟和实验研究,分析了施加不同励磁电流螺旋磁场时Pb-Sn合金的凝固过程。结果表明:随着励磁电流的增加,冷却速率逐渐降低,熔体内的温度梯度变小,促进晶粒等轴化;轴向分力使熔体沿轴向的环流增强,初生β相趋于弥散分布,宏观偏析基本消除。但大电流产生强烈的搅拌,增加了晶粒之间摩擦与碰撞几率,晶粒聚集程度提高,强烈的感应加热也延缓熔体的冷却速度,导致晶粒粗化。在频率为10 Hz条件下,适宜的励磁电流是100~125 A。     

GH742合金等温凝固过程中偏析规律的研究

为了揭示高合金化难变形GH742合金在等温凝固过程中元素的偏析规律，利用SEM和EDAX及密度计算研究了该合金的显微组织和元素的偏析情况，并分析了相变对偏析元素及液体密度的影响。结果表明，在凝固过程中，GH742合金中的主要偏析元素是Nb和Ti，液体密度随凝固温度的下降而上升，在1330℃以下，一次碳化物的析出，使剩余液体中的合金元素发生重新分配，并由此导致局部液体密度的不均匀。     

铸造TiAl合金的凝固偏析特征

采用扫描电镜背散射模式和电子探针成分分析研究了TiAl合金铸锭的凝固偏析特征。结果表明,沿柱状晶生长方向合金元素不存在宏观偏析。TiAl合金铸锭的微观偏析按照衬度差别可分为三个区域,呈网状分布的暗灰色区域,以及网格中间的灰色和灰白色区域,其中灰白色区域呈现枝干分布特点。合金元素Ti和V在灰白色区域的含量最高,暗灰色区域的含量最低。Al在暗灰色区域的含量最高,灰白色区域的含量最低。Cr在暗灰色区域的含量最高,灰色区域的含量最低。平行柱状晶生长方向和垂直柱状晶生长方向合金元素的微观偏析特征没有差别,柱状晶内和柱状晶界附近合金元素的微观偏析特征也没有差别。     

Waspaloy合金凝固过程中偏析和液体密度的变化

利用SEM和EDAX研究了Waspaloy合金不同温度下的凝固组织和合金元素的偏析并计算了液体的密度.结果表明,Waspaloy合金凝固时的偏析元素主要是Ti.随着温度的降低,Ti在液相中的含量从开始凝固时的2.90%上升至最高值8.91%,为正偏析元素;Cr和Co在晶干上富集,为负偏析元素.随着温度的降低和液相中Ti含量的升高,液析μ相的形态依次发生下面的变化:颗粒状→条片状→块状.液体密度计算结果显示,液体的密度随着温度的下降而下降.当温度降至1300℃以下时,液体密度稍有上升.研究发现,这和液相中富Ti的η相和碳化物析出有关.液体的最大密度反转为0.01406 g·cm-3/℃,较易形成宏观偏析黑斑.