多元Al-Cu系合金凝固过程中显微偏析的计算模拟

以物质守恒方程,液固界面平衡方程为基础,提出一个反映多元合金系中组元间相互作用的凝固模型,并从应用的角度出发,对该模型进行了合理的简化,利用这个模拟对合金元素在多元Ａｌ－Ｃｕ系合金凝固过程中的行为进行计算模拟,所得的情况与实验结果相一致,表明这个多元系凝固模型可以为多元Ａｌ－Ｃｕ系合金化设计作出有效的预测。     

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.     

枝晶凝固过程中的溶质浓度分布模拟

采用元胞自动机方法(cellular automation)对单个枝晶凝固过程中的显微偏析和枝晶形貌进行了模拟，在模拟的过程中，对固相和液相中的溶质传输分别进行了计算，同时考虑到凝固过程中同相分数的变化对溶质传输的影响与文献中通常采用的浓度势方法的计算结果进行对比，模拟结果显示本文使用的计算方法模拟显微偏析过程中波动小、结果更为稳定。     

多元合金两相区凝固过程的数值仿真研究

基于微观枝晶计算域内的溶质质量守恒关系,推导出适用于枝晶凝固方式的二元合金微观偏析半解析数学模型,并根据简单加合原理对模型进行了多元化扩展,应用扩展后的微观偏析模型,针对浇注钢种(视为Fe-C多元合金)的两相区凝固过程进行了数值仿真计算,通过仿真获得了连铸凝固传热计算中所需要的钢种的非平衡凝固路径及实际固相线温度.研究结果表明,所建立的多元合金两相区凝固计算微观偏析数学模型及其仿真程序,具有较好的合理性和广泛的适用性,可以方便地在连铸过程静态及动态仿真计算中加以耦合运用.     

垂直定向凝固条件下通道偏析形成过程的数值模拟

建立了描述合金凝固过程热－溶质对流和宏观偏析形成过程的数学模型。模型中耦合求解了凝固过程中质量、动量、能量和溶质守恒方程；同时，基于固液两相区中温度和成分的耦合关系建立了固相分数场的更新方法。利用该模型模拟了底部冷却的二维矩形区域内Fe-C合金凝固过程中通道偏析的形成和发展过程。模拟结果表明，垂直定向凝固条件下通道偏析形成于液相线前沿附近，而不是两相区内部。这一结果很好地支持了文献中基于实验观察提出的通道偏析形成机理。     

镍基高温合金定向凝固斑点偏析的数值模拟研究

为了研究铸造高温合金中的斑点偏析，建立了描述多元合金凝固过程传输行为的数学模型。基于伪二元相图方法，模型给出了液相线温度与固相分数及液相多元溶质浓度的耦合关系式。利用该模型对Ni-5．8Al-15．2Ta（质量分数，％）合金铸锭的垂直定向凝固过程进行了模拟。结果表明：该模型能够反映多组元镍基高温合金凝固过程中斑点偏析的形成及发展过程。凝固界面前沿附近热-溶质双扩散对流引起的密度倒置，是诱发斑点偏析的主要原因。在糊状区中形成的偏析通道中，富集溶质从糊状区流向液相区，通道周围局部流动可以通过糊状区从液相区补充通道中的流动。凝固初期形成的通道不能稳定存在，多个通道合并促使局部凝固前沿优先生长，最终形成稳定的偏析通道。     

Al-4.7%Cu合金铸锭宏观偏析的数值模拟及实验验证

基于凝固理论和欧拉多相流方法,以相体积分数为宏-微观耦合的纽带,建立了宏-微观耦合计算宏观偏析的数学模型,对Al-4.7%Cu合金铸锭进行了相体积分数、温度场、溶质场等方面的模拟计算,预测了铸锭凝固过程中的固-液界面形态和组织演化规律。结果证明,实验结果和模拟结果较吻合。     

钛合金VAR过程中自然对流下的宏观偏析行为模拟

采用合金凝固的连续介质模型,模拟了钛合金熔炼过程中温度场、流场、溶质场的演化行为,模拟所得溶质元素分布规律与已有实验观测结果一致。通过对模拟结果中宏观偏析形成过程的详细分析以及不同流动情况下偏析程度的对比,揭示了热浮力和溶质浮力引起的自然对流在宏观偏析形成中的作用机制,发现抑制自然对流,可最大程度的减轻铸锭宏观偏析。此外模拟结果还表明,当熔池内流动情况一定时,合金元素在固/液两相中的平衡分配系数决定了该元素的宏观分布规律和偏析程度。     

一种亚共析铀铌合金的凝固特点及显微偏析研究

分析了一种亚共析U-Nb合金的凝固过程,获得了该合金的固相线、液相线温度和固-液两相区的残余液相体积。发现凝固末期残余液体不能形成液体网,凝固枝晶很快互相连接,形成一些较大的孤立的液体池。凝固末期这种不能补缩的液体池易形成严重的疏松,理论初步计算合金的显微疏松量约为1.6%。发现合金中铌是严重的负偏析合金元素,凝固中期和凝固末期偏析系数k仅为0.16和0.11,极易在枝晶干偏聚造成枝晶偏析。     

高温合金差示扫描量热分析(DSC)的影响因素研究III：合金状态和升降温速率

摘 要：对固溶强化型镍基高温合金625进行升、降温差示扫描量热分析（DSC）试验,研究了同一合金不同状态（粉末态、粉末+热等静压态和铸态）以及升/降温速率（5-10℃/min）对相变温度的影响。采用场发射扫描电镜（FESEM）、电子探针（EPMA）对不同状态625合金的微观组织和元素分布进行表征。结果表明：（1）铸态比粉末态合金的枝晶间距大2个数量级,而热等静压态合金为无枝晶偏析的细等轴晶结构。（2）升、降温速率对DSC曲线中加热时基体开始熔化（等于固溶强化型合金的初熔温度）和冷却时开始凝固温度（偏离基线的拐点）无影响,但对合金加热熔化结束、冷却时大量凝固析出温度（峰位）和终凝温度（拐点）有明显影响。采用加热、冷却曲线相应相变温度平均值的方法可减少DSC试验和样品条件的影响,获得相对固定且更具可比性的合金相变温度。（3）合金状态对初熔温度和DSC升温曲线固相线温度附近的圆弧段有明显影响。根据DSC加热曲线固相线温度附近的圆弧大小可以判断合金的偏析倾向,弱偏析倾向的粉末态和热等静压态PM625合金DSC加热曲线固相线附近区域拐点尖锐,表现为合金开始熔化温度（偏离基线的拐点）与名义固相线温度（切线交点）差异很小,分别仅为5℃和6℃;偏析倾向较大的铸态IN625合金的DSC加热曲线中固相线温度附近区域为较大圆弧,开始熔化温度与名义固相线温度差异可达52℃。铸态625合金的初熔温度比热等静压态和粉末态分别低45℃和40℃,在实际热处理和热等静压等热工艺参数选择时应注意圆弧段较大的合金降低初熔温度的影响。在所有DSC冷却曲线中,由于完全熔化重新凝固消除了合金原始显微组织特征,不同状态625合金固相线温度区域附近曲线形态相似,均为较大的圆弧。     

Solidification of high-refractory ruthenium-containing superalloys

The effect of alloy chemistry on single crystal solidification has been investigated in a series of model high refractory Ni-base superalloys with variations in ruthenium, rhenium and aluminum. Over the range of composition investigated, the initial phase to form during solidification was either the γ phase (FCC Ni-solid solution) or the δ phase (HCP Re-rich phase). In a quaternary Ni-Al-Ta-Re alloy containing 1.7 at.% (5.6 wt.%) Re, δ-Re nucleated at a temperature well above the liquidus temperature of pure Ni and grew unconstrained into six-fold Re-rich dendrites. These dendrites served as potent nucleation sites for γ grains as temperature decreased during directional solidification. Ruthenium additions in the range of 2.5∽9.0 at.% (4.1∽14.1 wt.%) lowered the temperature at which the δ nucleated and eventually suppressed the formation of this phase during solidification. Ru additions also increased the liquidus temperatures of the multicomponent superalloys. The implications for the design of Ru-containing superalloys are discussed.     

铸态金铂合金的成分偏析调控研究

金铂合金以高密度、高硬度、良好的导电导热性能及超低剩磁矩和磁化率在航空领域中作为验证质量得到了广泛应用，但金铂合金制备过程中存在着极为严重的成分偏析现象。本文主要针对此问题开展研究工作，采用高频感应炉和喷铸两种工艺制备金铂合金样品，通过多道次轧制并结合固溶工艺研究金铂合金的成分偏析的分布状态，结果表明，高频感应炉制备的金铂合金成分偏析较为严重，喷铸工艺成功实现对金铂合金成分偏析的调控，通过EDS能谱分析发现喷铸工艺较感应熔炼工艺可将成分偏差由20%控制为1%。随后利用Anasys fluent计算模拟得到金铂合金两种不同制备工艺下凝固过程中的温度场、流场及溶质场分布。     

The Solidification of Multicomponent Alloys

Various topics taken from the author’s research portfolio that involve multicomponent alloy solidification are reviewed. Topics include: ternary eutectic solidification and Scheil-Gulliver paths in ternary systems. A case study of the solidification of commercial 2219 aluminum alloy is described. Also presented are modifications of the Scheil-Gulliver analysis to treat dendrite tip kinetics and solid diffusion for multicomponent alloys.     

Oxidation Behavior of the Single-Crystal Ni-base Superalloy DD32 in Air at 900, 1000, and 1100°C

The isothermal-oxidation behavior of the single-crystal Ni-base superalloy DD32 was studied over the temperature range from 900–1100 °C and analyzed by OM, TGA, XRD, EDX, SED, and EPMA. The alloy DD32 obeyed a subparabolic rate law during oxidation at 900 and 1000°C, while the alloy showed a rather high oxidation rate at 1100°C. The severe composition segregation, which resulted from the solidification process, led to the formation of different scale on the dendritic and interdendritic regions. Internal nitride (AlN) was observed in the subsurface zone of dendritic areas, but absent in interdendritic areas. The oxidation mechanism of the alloy DD32 is discussed by comparing with other alloys.     

电磁离心凝固过程中宏观偏析的数值模拟

基于连续模型建立了非惯性坐标系下电磁离心凝固过程流动、传热、传质耦合数学模型．依此模型对Al-5％Cu合金进行了模拟计算．结果表明，电磁离心凝固过程中，电磁力使熔体的平均径向运动速度下降．熔体流动状态的改变使凝固合金外层的逆偏析减轻，凝固过程中两相区的负偏析也减轻．与普通离心铸造相比，电磁离心凝固可减轻铸件宏观偏析．模拟结果与实测铸件成分分布基本吻合，表明本数学模型较好地描述了电磁离心凝固过程．     

Phase-field-lattice Boltzmann simulation of dendrite growth under natural convection in multicomponent superalloy solidification

The thermosolutal convection can alter segregation pattern,change dendrite morphology and even cause freckles formation in alloy solidification.In this work,the multiphase-field model was coupled with lattice Boltzmann method to simulate the dendrite growth under melt convection in superalloy solidification.In the isothermal solidification simulations,zero and normal gravitational accelerations were applied to investigate the effects of gravity on the dendrite morphology and the magnitude of melt flow.The solute distribution of each alloy component along with the dendrite tip velocity during solidification was obtained,and the natural convection has been confirmed to affect the microsegregation pattern and the dendrite growth velocity.In the directional solidification simulations,two typical temperature gradients were applied,and the dendrite morphology and fluid velocity in the mushy zone during solidification were analyzed.It is found that the freckles will form when the average fluid velocity in the mushy zone exceeds the withdraw velocity.