难混溶合金凝固过程中宏观偏析形成的数值模拟

基于分离粒子法，建立了一个模拟难混溶合金凝固过程中第二相宏观偏析形成过程的模型．此模型考虑了实际凝固过程中的诸多因素，包括形核，扩散长大，Ostwald熟化，Brownian碰撞以及运动碰撞的影响．对Al-30％In合金的模拟结果与实验结果吻合较好，反映了所建立模型较好的理论预测能力．     

快速凝固Cu-Fe难混溶合金的显微组织

采用高压气体雾化技术制备了Cu—Fe合金粉末，并对粉末的组织进行了观察分析．结果表明，雾化液滴的尺寸与合金成分影响凝固组织的演变过程．雾化液滴尺寸越小，其内部富Fe相越弥散；Fe含量越接近亚稳液态组元不混溶区域的临界成分，越容易发生液-液相变．分析表明，富Fe液滴的Marangoni迁移和富Fe粒子与固-液界面之间的相互作用是导致粉末外部形成贫Fe层的主要原因．     

难混溶合金及其制备技术研究进展

综述了难混溶合金在微重力和地面条件下制取具有均匀弥散相结构的研究成果。指出了形核、生长-扩散-对流／扩散、重力造成的沉积或上浮、相间界面能、Ostwald熟化、Marangoni运动、Brownian凝并、第二相含量和冷却速度等影响难混溶合金凝固的各种因素，分析了难混溶合金在定向凝固过程中从纤维型规则复合组织到规则排列的串状组织再到弥散分布粒子的组织演变现象。根据难混溶合金的凝固特点，介绍了粉末冶金法、定向凝固法、模拟微重力熔融铸造法、搅拌铸造法、快速凝固法等几种不同特点的制备技术。总结了密度动态法、分离粒子法、相场法等计算机组织模拟方法在难混溶合金方面的应用，同时指出了难混溶合金研究存在的问题和今后的研究方向。     

Fe-Cu-Pb合金液-液相分离及废旧电路板混合金属分级分离与回收

以废旧手机电路板为研究对象,采用热解技术使电路板金属与非金属解离,获得以Fe、Cu和Pb为主组分的混合金属。基于主组分为Fe、Cu和Pb,实验研究了(Fe_(0.4)Cu_(0.6))_(100-x)Pb_x三元合金的液-液相分离行为。结果表明,合适成分的Fe-Cu-Pb三元合金熔体在冷却过程中首先发生液-液相分离L→L(Fe)+L(Cu, Pb),待L(Fe)液相凝固后,剩余的液相L(Cu, Pb)再次发生液-液相分离L(Cu, Pb)→L(Cu)+L(Pb),最终主要形成富Fe、富Cu和富Pb三区分离结构。基于Fe-Cu-Pb合金液-液相分离凝固特征,设计了废旧电路板混合金属自组装分级分离系统,研究了混合金属中次组分Cr、Au、Cd等在主组分Fe、Cu和Pb中的富集行为,分析了离心超重条件对混合金属分离率和回收率的影响,建立了废旧手机电路板金属资源无害化回收处理新方法。     

Al-Bi-Ce-Cu难混溶合金的凝固组织和耐磨性

本文研究了Al-Bi-Ce-Cu难混溶合金的凝固组织和耐磨性能。实验结果表明,添加Ce到Al-Bi合金中,原位生成的棒状化合物Bi₂Ce作为异质形核质点,促进了Bi相的形核,所制备难混溶合金中富Bi相颗粒弥散分布。添加Cu到Al-Bi-Ce合金中生成了硬质相Al₂Cu,硬质相增强了基体的硬度,进而提高了合金的耐磨性能,降低了合金的耐磨性系数。因此Al-Bi-Ce-Cu合金,不仅具有富Bi相颗粒弥散分布的组织,同时还具有高的耐磨性能,有很强的实际应用价值。     

弥散固态颗粒对Al-Bi合金液-液相分离过程的影响

通过向Al-Bi难混溶合金中添加稀土生成CeBi2颗粒,在液淬和自然冷却2种冷却方式下研究固态颗粒对液-液相分离的作用。固态颗粒成为富Bi液滴的形核质点,提高了形核率,促进液滴尺寸细化和弥散分布,进而提高了合金耐磨性能。通过分散粒子法对富Bi液滴的运动、生长和凝并行为进行模拟分析,发现Stokes运动是富Bi液滴宏观偏析的主要成因,熔体自然对流对液滴分布也有一定影响。添加Ce增加了凝固各时间段的富Bi液滴数量,细化液滴尺寸,使液滴运动速度降低。与较快出现宏观偏析的Al-Bi合金相比,Al-Bi-Ce合金中虽然有同样的粗化和偏析趋势,但进行速度相对较慢,宏观偏析较轻。液滴在凝并后期出现了尺寸的多峰分布,峰值随液滴尺寸增加由高向低排列。数值模拟结果与实验统计结果体现了较好的一致性。     

Fe含量对Zr60Cu40-xFex相分离非晶合金组织结构、电阻性能和纳米压痕行为的影响

在Zr60Cu40单相非晶合金中引入与合金次要组元Cu具有正混合焓的Fe元素,设计了Zr60Cu40-xFex相分离非晶合金,研究了 Zr60Cu40-xFex三元合金的液-液相分离行为.结果表明,二元Cu-Fe合金的液态组元不混溶区域可以延伸至三元Zr60Cu40-xFex合金中;在快速凝固条件下,该合金在冷却过程中...     

单相合金凝固过程微观组织的三维数值模拟

基于晶粒形核和生长物理过程及热质基本传输过程，建立了单相合金凝固过程微观组织和微观偏析形成及枝晶形貌演化的三维数学模型，模型中考虑了成分过冷．曲率过冷和各向异性等重要因素．数值模拟结果表明，所建数学模型能够合理反映质点形核、晶粒生长和柱状→等轴晶转变物理过程，温度场．溶质场和微观组织形貌的模拟计算结果合理自由枝晶生长过程的模拟结果表明，各向异性强度对枝晶生长和最终组织形貌具有重要影响：强各向异性趋于得到分支发达的树型结构，内部组织为取向平行排列规则的二次枝晶臂簇；而弱各向异性趋于得到表面凹凸不平的近似正八面体结构．模拟结果还证实枝晶内部存在小的孤立熔池，这有助于揭示微观组织中出现点偏析和微观缩松的根本原因．     

Microstructures of rapidly solidified Al-In immiscible alloy

1　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＴｈｅｒｅａｒｅｍａｎｙｂｉｎａｒｙｉｍｍｉｓｃｉｂｌｅｓｙｓｔｅｍｓｗｉｔｈａｍｉｓｃｉｂｉｌｉｔｙｇａｐｗｈｉｃｈｈａｖｅｂｅｅｎｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄａｓｄｅｓｉｒ ａｂｌｅｆｏｒｍａｎｙａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ,ｓｕｃｈａｓｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｍａｔｅｒｉａｌｓ ,ｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃ ｔｏｒｓ,ａｎｄｓｅｌｆ ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎｂｅａｒｉｎｇｓ[1～ 3] .Ｈｏｗｅｖｅｒ ,ｔｈｅｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆｓｕ…     

偏晶合金液-液相变过程模拟

建立了能描述在弥散相液滴形核、扩散长大、碰撞凝并及两液相空间分离等因素共同作用下，偏晶合金液-液相变过程中组织演变过程的数学模型。将计算的温度场和浓度场与控制凝固组织演变的动力学方程相耦合，模拟研究了单向冷却条件下Al-Pb合金液-液相变过程中的组织演变过程。结果表明，随着冷却的进行，液-液相变区不断由试样底部向试样顶部推进，直至贯穿整个试样。由于在凝固过程中弥散相液滴进行Marangoni迁移和Stokes运动，试样中的某些部位会出现液滴贫化、过饱和度增加和多次形核现象。     

基于一种改进CA模型的微观组织模拟

基于热传输、溶质传输等基本传输过程及晶粒生长物理过程,建立了单相合金凝固过程微观组织及枝晶形貌演化的三维数学模型,并提出了新的生长模型和单元捕获规则,新规则在三维立方有限差分单元的基础上保证了晶粒在各个随机的优先生长方向生长时的枝晶连续性,并较好的在三维立方网格中体现出了晶粒形貌.此外,模型中考虑了成分过冷、曲率过冷和晶粒随机各向异性生长等重要因素.数值模拟结果表明,所建立的数学模型能够合理描述晶粒沿任意角度生长的过程,温度场、溶质场和微观组织形貌的模拟计算结果合理.多晶核定向生长模拟结果表明,多晶核定向竞争生长达到稳定状态时,枝晶间的一次枝晶臂间距与初始形核数目无关.所建立的模型和晶粒捕获规则适用于进一步定向凝固微观组织演化的研究.     

添加Zr对快速凝固CuCr29合金液相分解微观组织的影响

使用限速熔体快淬技术研究了添加Zr对CuCr29合金液相分解微观组织的影响。研究结果表明，添加Zr可以有效地抑制快速凝固CuCr29合金的液相分解行为。当Zr元素的添加量大于1．0at％，快速凝固CuCr29合金的液相分解微观组织明显地得到细化。EDS分析和微观组织观察都表明，添加Zr元素后，在合金组织中只存在着富Cu基体和富Cr相，Zr元素以固溶形式影响着CuCr合金的凝固行为。由热力学分析可知，在CuCr29合金中添加Zr会降低过冷CuCr液体的混合自由能和液相分解的驱动力，从而增加液／固转变临界过冷度，使临界形核半径减小和形核速度增加，则快速凝固CuCr29合金的液相分解微观组织得到细化。     

大型锻件淬火组织场数值模拟

运用APDL(ANSYS参数化设计语言)语言对ANSYS进行二次开发,使其在模拟温度场的基础上可以进一步计算组织分布。为验证算法,选取一种贝氏体钢淬火,设定冷速为1℃/min、5℃/min、20℃/min、300℃/min匀速冷却,分别模拟计算组织百分数和制备试样观察相应冷速下的金相组织。结果表明模拟计算的结果和观测的金相组织吻合的比较好。最后采用本程序计算1.5 m大型锻件淬火过程的温度场和组织分布,结果显示这种贝氏体钢水冷却8 h后心部温度小于200℃,冷却结束后心部得到大于90%的贝氏体组织。     

Microstructure and Selection of Grain Boundary Phase of Cu-Ni-Si Ternary Alloys

采用静平衡凝固技术制备了Cu含量为90wt%、不同Ni/Si原子比的Cu-Ni-Si合金,采用扫描电镜（SEM）、能谱分析（EDS）和X射线衍射仪（XRD）对合金的显微组织和相组成进行了分析,利用差热分析（DSC）考察了合金熔体在冷却过程中的相转变行为。研究结果表明,Ni/Si原子比对Cu-Ni-Si合金显微组织的影响可归因为α-Cu晶粒内部析出的δ-Ni2Si相数量的变化和晶界相在Cu-Si和Ni-Si化合物之间的选择。δ-Ni2Si相数量的变化与初生α-Cu内部Ni、Si原子的浓度密切相关,而晶界相的相选择则是Cu-Si和Ni-Si金属间化合物相之间竞争的结果。随着Ni/Si原子比的增加,残余液相中Ni原子浓度增加增高,具有更负形成焓Ni-Si金属间化合物逐渐从竞争中胜出,导致晶界相从Cu-Si化合物向Ni-Si化合物的转变     

双相钛合金微观应力-应变分布的数值模拟

测量了α+β型Ti-8Mn双相钛合金的应力-应变曲线,设计了成分与Ti-8Mn双相钛合金中α和β相成分相近的单相α钛合金和β钛合金,根据这2个单相钛合金的应力-应变曲线,计算了Ti-8Mn双相钛合金的应力-应变曲线并与测量值进行了对比.结果表明:二者吻合得很好,说明所建立的有限元模型是有效的.根据上述模型,对在β相内存在一个α相的情况下,沿不同截面应力-应变的分布进行了数值模拟.结果表明:在外加应力的作用下,最小应力出现在中心α相内,最大应力出现在α-β边界,随着向两侧距离增加,应力值逐渐减小,而应变分布与应力分布相反.     

镁合金半固态流变充型过程数值模拟

利用所建立的流场、温度场耦合半固态表观粘度的三维数学模型,分析了镁合金及半固态镁合金AZ91B在不同充型速度时的流变特性。结果表明:具有伪塑性体及宾汉体特征的半固态流体,在相同充填条件下,具有充填过程平稳、卷气少等特征,从而可减少液态金属充型时遇到的常见缺陷。半固态材料铸造技术为解决铸件内部缺陷,调整成形工艺,提高产品质量提供了一种新方法。     

镁合金半固态流变压铸充型凝固过程数值模拟及试验研究

在前期平板模型流变压铸充型凝固过程数值分析的基础上,利用所建立的数学模型对镁合金压铸件中间轴螺塞进行了数值分析和实验研究,对比分析了零件成形时镁合金牛顿流体与镁合金半固态流体的充型特征及零件中存在缺陷的位置和大小。结果表明,与牛顿流体相比半固态流体更易实现铸液充型时的顺序填充,有利于铸型中的气体的排出和铸件成形质量的提高。模拟结果与试验结果吻合较好。