Fe-C二元合金凝固过程枝晶偏析的数值模拟研究

利用元胞自动机法对Fe-C二元合金过冷熔体中枝晶的生长过程进行了模拟,其中明确地将液相溶质浓度与固相溶质浓度区分开,并探讨了冷却速率、液相溶质扩散系数以及固相溶质扩散系数对枝晶偏析的影响规律。模拟结果表明:随着冷却速率的增大,固相中溶质浓度波动不断加剧,且枝晶偏析程度增大,但偏析程度的增大趋势逐渐减缓;当液相扩散系数变化时,液相溶质扩散系数越小,其微观偏析越严重,此外,固相中溶质的波动随液相扩散系数的增大而减小;当固相溶质扩散系数变化时,在枝晶中心附近,微观偏析程度基本保持一致,而在远离中心点的外围区域,微观偏析程度的波动十分明显。     

非均匀温度场Fe-0.06%C合金焊接接头凝固过程模拟分析

利用元胞自动机和有限差分(CA-FD)法,采用宏-微观两种尺度,将宏观温度场与微观枝晶生长过程耦合在一起,再现了Fe-0.06%C二元合金焊接熔池的凝固过程.同时,探讨了边界散热速率对焊接熔池中枝晶生长形貌及晶粒尺寸的影响;分析了形核基底数与枝晶生长间的关系;并用实验对模拟结果进行了验证.结果表明,在熔池凝固过程中,温度梯度沿散热边界向绝热边界方向不断减小,等温线弧度不断增大;熔池散热边界附近的液相中溶质浓度远远高于绝热边附近和模拟区域中心的液相溶质浓度;模拟区域内的温度梯度随着边界散热速率的增大而升高.此外,随着形核基底的增加,柱状晶数量基本不变;而等轴晶数量不断增多,分布范围逐渐扩大,但尺寸有所减小.模拟结果反映了焊接熔池的凝固过程,并与实验结果吻合,为实际焊接工艺的选取提供了一定的参考.     

Simulation of dendrite growth of Fe–C alloy using phase field method

采用相场法模拟了Fe--0.5%C合金等温凝固过程中单个枝晶和多个枝晶的生长, 研究了过冷度、各向异性、界面厚度、晶体取向以及扰动对枝晶形貌的影响, 获得了具有二次分枝的枝晶形貌, 再现了枝晶生长过程及枝晶臂之间的竞争生长. 模拟结果表明: 凝固过程中存在溶质富集和枝晶偏析, 枝晶主干溶质浓度最低, 枝晶臂之间的液相浓度最高. 随着过冷度的增大, 枝晶生长加快且分枝发达; 界面厚度直接影响枝晶的生长速度; 各向异性影响枝晶的形态; 晶体取向与坐标轴方向一致时枝晶优先生长;扰动的加入导致枝晶分枝的形成.     

用相场方法模拟Fe-C合金枝晶生长

采用相场法模拟了Fe-0.5%C合金等温凝固过程中单个枝晶和多个枝晶的生长,研究了过冷度、各向异性、界面厚度、晶体取向以及扰动对枝晶形貌的影响,获得了具有二次分枝的枝晶形貌,再现了枝晶生长过程及枝晶臂之间的竞争生长.模拟结果表明:凝固过程中存在溶质富集和枝晶偏析,枝晶主干溶质浓度最低,枝晶臂之间的液相浓度最高.随着过冷度的增大,枝晶生长加快且分枝发达;界面厚度直接影响枝晶的生长速度;各向异性影响枝晶的形态;晶体取向与坐标轴方向一致时枝晶优先生长;扰动的加入导致枝晶分枝的形成.     

冷却速率对洋葱内表皮细胞结构的影响

本文通过控制冷却速率观测了洋葱内表皮细胞结构的动态变化,根据透光强度定量分析了胞内冰晶对细胞结构的影响,对内压与体积的变化关系进行讨论,并研究了冷却速率对过冷度、结晶时间及细胞形变的影响。结果表明:冷却速率越慢,细胞内产生的冰晶数量越少,体积越大,对细胞造成的机械损伤越大。冷却速率从2℃/min升至90℃/min时,细胞的平均灰度值下降了37.2%;体积随内压的增大而减小,内压变化越大,细胞结构的变化越显著,在2℃/min时,冷却-复温后,内压增大了0.388×10~(-2) Pa,体积减小了2.264×10~(-13) m~3。冷却速率对细胞的过冷度、结晶时间及变形量影响显著,在90℃/min时,冷却-复温后相对体积变化为1.24%。     

相场法模拟流动下非等温多晶粒枝晶生长形貌研究

基于相场方法对包含多晶粒的非等温合金凝固过程进行了二维数值模拟.以Ni-Cu合金为例,展示了多核晶粒形貌的生长过程,研究了流速、各向异性和过冷度、晶核个数等参数对多枝晶生长形貌的影响.结果表明:随着模拟时间的增加,各晶核由独立生长演化为竞争生长;引入强制流动后,枝晶上游臂的生长得到促进,下游臂的生长受到抑制,垂直臂逐渐向迎流方向倾斜生长;随着流速的增大,多枝晶的非对称性增强,垂直臂在迎流一侧逐渐长出二次枝晶,而逆流侧保持光滑.随着各向异性值和过冷度的增大,各枝晶形貌大小均增大.     

边界热通量作用下枝晶生长相场模型的有限元法模拟

基于Beckermann和Karma枝晶生长相场模型,建立耦合溶质场、温度场的相场模型,采用有限元法对控制方程进行求解,研究凝固过程Al-3.0%(质量分数)Cu合金在边界热通量作用下的枝晶生长行为。结果表明,边界热通量作用能够显著改变凝固前沿的传热和传质,影响枝晶生长形貌。在边界抽热条件下,枝晶前沿温度降低,实际过冷度增大,从而促进二次枝晶生长发育,界面前沿溶质扩散层薄,枝晶微观偏析严重。而边界加热条件下,枝晶前沿温度升高,实际过冷度减小,抑制枝晶生长发育,界面前沿扩散层厚,枝晶微观偏析减弱。     

多晶硅锭定向凝固过程的温度场模拟

采用数值模拟方法研究了不同的工艺条件对多晶硅锭定向凝固过程中固液界面形状和温度梯度的影响,为优化多晶硅凝固过程的参数和有效控制定向凝固过程提供了参考依据。模拟结果表明,降埚速率越大,晶体生长速率越快,硅锭内温度梯度也随之增加,当降埚速率小于60mm/h时,固液界面始终保持凹界面;保持一定的降埚速率和冷源温度不变,改变多晶硅锭的冷却速率,坩埚内固液界面的形状基本保持不变,但冷却速率对晶锭内温度梯度的影响较明显,冷却速率越大晶锭内温度梯度越大。     

基于三维LBM-CA模型模拟Al-4.7%Cu合金的枝晶形貌和成分分布

建立了三维格子玻尔兹曼方法(LBM)-元胞自动机(CA)耦合数值模型,并用该模型模拟研究了Al-4.7%Cu(质量分数)固溶体合金的凝固过程。该耦合模型采用元胞自动机方法模拟枝晶的生长,同时采用基于分子动力学理论的格子玻尔兹曼方法模拟合金凝固过程中的温度场、流场以及溶质场。模拟结果再现了合金凝固过程中的三维枝晶形貌变化以及溶质富集过程,并将三维流场因素考虑进去,定量研究了自然对流、过冷度对单枝晶形貌和成分分布的影响。研究表明,在纯扩散条件下,枝晶呈现对称的生长现象,模拟自由枝晶稳态生长的尖端速度、尖端半径和过冷度的关系与Lipton-Glicksman-Kurz(LGK)理论模型吻合得较好。在自然对流条件下,枝晶的生长形貌呈现不对称性,即枝晶生长在迎流方向上得到了促进,在顺流方向上受到了抑制。熔体过冷度对枝晶生长的影响较大,过冷度的增加导致枝晶生长加快,二次枝晶增多且呈现出粗化现象,枝晶尖端固液界面处的溶质浓度偏高,加重了溶质偏析。     

深过冷Ni-Cu-Si合金熔体中的快速枝晶生长

为了揭示多元合金中的枝晶生长规律,采用电磁悬浮技术实现了Ni-10%Cu-10%Si三元合金的深过冷与快速凝固,实验中合金熔体获得的最大过冷度为236K。对合金快速凝固过程中初生相-αNi的枝晶生长速度测定结果表明,其与过冷度之间存在幂函数关系:V=1.6×10-13ΔT5.7。当ΔT较小时,随着ΔT的增加V增加缓慢,当ΔT较大时,随着ΔT的增加V迅速增加。对比分析表明,溶质Si对-αNi枝晶的生长影响显著,而溶质Cu则几乎没有影响。随着过冷度的增加,未发现-αNi相的微观形态从枝晶向等轴晶转变,但-αNi晶粒尺寸均随着过冷度的增加而急剧细化。     

快速凝固条件下Ni–Pb偏晶合金的组织演变机理研究

目的 研究过冷Ni–0.5%Pb(原子数分数)合金过冷组织的演化行为,阐明其组织演化和晶粒细化的基本机制。方法 采用熔融玻璃净化和循环过热方法制备出过冷度为0~255 K的试样,并结合枝晶生长的动力学–热力学模型,研究其深过冷快速凝固行为机制。结果 在0~255 K过冷度范围内,随着过冷度的增大,Ni–Pb偏晶合金的微观组织发生了2类晶粒细化现象,组织形态由粗大树枝晶向粒状等轴晶转变。结论 第1类粒状晶的形成是由于枝晶熟化和再辉重熔导致发达枝晶破碎,第2类粒状晶的形成是由于在应力和应变能的作用下,枝晶碎变和再结晶引起了晶粒细化。     

深过冷Sb-Sn过包晶合金的快速凝固

采用落管无容器处理技术研究了Sb74.7Sn25.3二元过包晶合金的快速凝固,获得的合金粒子直径D介于70～1080μm之间。理论计算表明,随着粒子直径的减小,过冷度和冷却速率均呈指数关系增大,最大过冷度为298K(0.36TL)。研究发现,在自由落体条件下,快速凝固组织由初生Sb固溶体相和包晶SbSn金属间化合物相组成,Sb固溶体相以非小平面和小平面两种生长方式长大。当过冷度增大时,释放的熔化潜热增多,初生相逐渐细化,非小平面初生Sb相由"粗大枝晶"向"碎断枝晶"转变,当D<400μm时,一次枝晶臂显著变短,二次枝晶间距明显减小;同时发生溶质截留现象,初生Sb固溶体相中溶质Sn的固溶度发生了显著拓展,由ΔT=32K时的7.86%(原子分数,下同)线性增大至ΔT=298K时的10.47%。     

强制对流作用下多枝晶生长的相场法研究

采用耦合溶质场、温度场和流场的相场模型,对Ni-Cu合金凝固过程中多枝晶生长进行模拟,研究了多枝晶生长形貌及温度场和溶质场分布.结果表明:熔体流动显著改变凝固前沿的传热和传质,从而影响枝晶生长.受过冷熔体冲刷,枝晶逆流侧前沿溶质浓度和温度低,枝晶臂尖端生长迅速;枝晶顺流侧前沿溶质浓度和温度高,枝晶臂尖端生长缓慢.在熔体...     

Fe-B合金非平衡凝固过程的DSC研究

采用DSC技术研究了Fe-B合金冷却速率及试样纯度对其非平衡凝固过程的影响,得到了不同实验条件下过冷度和转变分数的演化结果,并从经典形核理论、非等温结晶动力学等方面进行了分析和讨论.实验结果表明,随冷却速率的增加,过冷度逐渐增大,最大可达409K;在同一冷却速率下,熔体的过冷度随试样纯度的提高也显著增大,并逐渐趋向于一定值.此外,整个非平衡凝固转变时间随过冷度的增大而不断缩短.     

镍基单晶高温合金对接平台内的微观组织及缺陷形成

目的 针对喷嘴导叶和双联导叶等对接结构单晶铸件内容易产生凝固缺陷的问题,研究定向凝固过程中对接平台内枝晶的生长行为、取向演化和凝固缺陷形成机制。方法 在不同抽拉速率下制备具有对接结构的镍基单晶高温合金铸件,采用实验与ProCAST有限元模拟相结合的方法,研究抽拉速率对镍基单晶高温合金对接平台内微观组织的影响,分析平台内凝固缺陷的形成机理。结果 当抽拉速率较低时,平台内枝晶生长规则,基本无凝固缺陷;随着抽拉速率的增大,平台内枝晶出现严重的侧向生长;当抽拉速率达到150 μm/s时,平台中间区域形成了碎断枝晶缺陷。结论 平台内枝晶生长与局部的温度场分布密切相关,而碎断枝晶的形成可能是由平台内部溶质富集引起的。     

深过冷Ni-Si共晶合金晶粒细化机制

采用熔融玻璃净化和循环过热相结合的方法,在Ni-Si共晶合金中取得了最大330K的大过冷度.研究了大块过冷Ni-Si共晶合金晶粒细化,发现在某一关键过冷度(△T*=184K)以上,合金晶粒尺寸明显细化.实验证实在过冷Ni-Si共晶合金中枝晶重熔和碎断是晶粒细化的主要原因.为了更好地分析其晶粒细化机制,基于枝晶生长LKT-BCT模型完成了相关的计算.     

水平直管内冰浆流动过程冰晶粒径演化研究

本文采用实验研究与数值模拟相结合的方法,研究了冰浆在水平直管内流动过程中冰晶粒径的分布及其演化规律。通过CFD-PBM耦合模型模拟研究冰浆在不同过冷度、流速、含冰率下冰晶粒径分布及其演化规律,并通过实验对数值模拟结果进行验证。结果表明:在含冰率为15%的冰浆管道入口处,冰晶粒径数量密度分布均近似高斯分布;随着冰浆流速和含冰率的增加,沿流动方向中心轴的冰晶平均粒径增大,截面冰晶粒径分布越不均匀;流速越小、含冰率越大,冰晶粒径的长度数量密度分布曲线的峰值升高,峰值所对应冰晶粒径的平均值减小。     

重型燃机定向结晶空心叶片凝固过程的实验与模拟

采用ProCAST软件系统研究HRS(High Rate Solidification)与LMC(Liquid Metal Cooling)工艺下,不同工艺参数对重型燃机用大型定向结晶空心叶片凝固过程的影响。结果表明:与HRS工艺相比,LMC工艺下叶片的糊状区宽度更小,固/液界面形状更加平直。LMC工艺下叶片的纵向温度梯度约为HRS工艺下的3倍;利用LMC工艺制备该燃机叶片时冷却速率为0.3~2.00℃/s,远高于HRS工艺时的冷却速率(0.05~0.16℃/s);LMC工艺下,采用低的保温炉温度仍可保证叶片获得高的温度梯度和冷却速率;而为避免缘板处杂晶对原始晶粒的阻碍,HRS工艺应当采用高的保温炉温度与更低的抽拉速率。实验与模拟结果均表明:与HRS工艺相比,利用LMC工艺制备的燃机叶片,枝晶组织显著细化。     

冷却工艺对镀铝锌钢板锌花尺寸与组构的影响

为提升厚规格镀铝锌板的表面质量、控制锌花尺寸、增强镀层观赏性,使用热浸镀模拟机组在厚规格钢板基体上制备了不同镀后冷却工艺的铝锌镀层(55.0Al-43.4Zn-1.6Si),使用扫描电子显微镜(SEM)及能谱仪(EDS)观察了镀层表面和截面的微观形貌及元素分布,探讨了镀后冷却工艺对铝锌镀层锌花尺寸、表面及截面形貌与结构的影响。结果表明:对于厚规格镀铝锌钢板,在600-380℃温度区间增大镀后冷却速率可降低锌花尺寸、增加枝晶取向的多样性,从而增强锌花立体感;同时可细化镀层组织、减小镀层表面二次枝晶间距,并降低金属间化合物层厚度。冷却过程中,600-520℃温度区间是镀层组织形核长大的关键阶段,因此在该温度段增大冷却速率可较为显著地减小锌花尺寸、细化镀层组织、提升镀层观赏性。     

电渣重熔工艺对GCr15轴承钢凝固组织的影响

基于CAFE法(元胞自动机-有限元模型),采用ProCAST对电渣重熔方法生产的GCr15轴承钢钢锭的微观组织进行数值模拟,得到了电渣钢锭的晶粒生长过程、熔池形状变化和晶区分布情况,并分析了不同的工艺参数对熔池形状以及凝固组织的影响.熔池深度随着钢锭固相区的扩展而变得越来越深,当钢锭长到一定高度,熔池深度和晶粒生长方向均不再变化.研究结果表明:结晶器冷却强度越大,熔池温度越低,熔池深度与钢锭半径之比h/R越小,而晶粒平均尺寸增大且柱状晶越多;渣池温度越高,h/R越大,晶粒平均尺寸增大;重熔速度是最显著的影响因素,熔速增大,h/R显著增大,柱状晶尺寸增大且数量增多.经过对电渣锭的凝固组织观察试验发现,模拟结果与试验结果有较好的一致性.