DZ125高温合金定向凝固微观组织的CA法模拟

采用伪二元相图法对DZ125多元合金进行了简化,并用二维Cellular Automaton(CA)法模拟了合金定向凝固微观组织.通过采用不均匀连续形核模型,在考虑到枝晶生长动力学的基础上,模拟了不同抽拉速度下合金定向凝固组织形貌,枝晶界面形态以及一次枝晶间距的变化,说明树枝晶竞争生长中存在"分枝"与"淹没"的机制;并且随凝固速率的增加,合金凝固组织从分枝较少的胞状树枝晶向分枝发达的树枝晶转变.模拟的一次枝晶间距从凝固速率为50 μm/s时的132 μm减少到凝固速率为500 μm/s时的69 μm.模拟结果与实验结果吻合较好.     

定向凝固DD6单晶高温合金枝晶组织均匀性研究

采用一次枝晶间距、最小生成树(minimum spanning tree,MST)、Voronoi多边形、FFT以及RO-XRD和EBSD等方法,研究了DD6单晶高温合金枝晶分布的均匀性.结果表明:DD6单晶高温合金一次枝晶平均间距为325.7 mm,变化率7.38%.Voronoi多边形法给出的最近邻枝晶个数对应在5.87~5.93,所占比例变化率超过30%;另外,MST的枝干长度变化也比较明显,达到26.95%,不同位置处的FFT频谱也不同,说明实验中选晶法获得的DD6单晶高温合金组织均匀性有待于进一步提高.上述结果也表明,定向凝固单晶高温合金枝晶生长是一个动态调整的过程,通过测量一次枝晶间距结合Voronoi多边形和MST法可量证枝晶生长过程的变化程度,而通常采用一次枝晶平均间距来衡量凝固过程稳定性是不充分的.对选晶法获得的DD6单晶高温合金择优取向与轴向(Z轴)之间的偏离角进行了测量,发现其值在10°以内,EBSD测试的结果比ROXRD相应结果大,这是由于RO-XRD在计算偏离角时选用了强度最大值所对应的衍射峰所致.     

合金定向凝固一次枝晶间距模拟

建立二元合金树枝晶生长的二维元胞自动机模型,模拟丁二腈2.5%(质量分数)乙醇定向凝固枝晶生长和一次枝晶间距选择过程。模拟结果表明:在给定的凝固条件下,定向凝固一次枝晶间距可在一个范围内变化,其具体取值与凝固历史具有相关性。在相同的温度梯度和不同冷却速度下,模拟给出的一次枝晶间距上、下限与实验结果吻合较好,详细分析影响定向凝固一次枝晶间距上下限的因素。结果表明:在给定凝固条件和合金系条件下,液相中无对流,影响一次枝晶间距上下限的主要因素是界面能和溶质扩散系数。     

定向凝固法制备单晶高温合金一次枝晶间距研究

利用定向凝固技术和籽晶法相结合的方式制备了DD5单晶高温合金。通过正方形估算法和直接测量法研究了DD5单晶高温合金的不同凝固距离(50、150和250 mm)横截面样品的一次枝晶间距。结果表明,随着凝固距离的增大,DD5单晶高温合金的一次枝晶间距逐渐增大;正方形估算法和直接测量法统计的DD5单晶高温合金的平均一次枝晶间距差距不明显,说明正方形估算法的精确度较高,为了提高效率可以采用正方形估算法统计单晶高温合金的一次枝晶间距;不同凝固距离横截面的一次枝晶间距上限约为下限的6倍。     

纵向静磁场对单晶高温合金DD483组织及蠕变性能的影响

在静磁场下进行高温合金DD483的定向凝固实验,研究了不同磁场强度对单晶镍基高温合金DD483凝固组织枝晶形貌、合金元素偏析系数、析出相和蠕变性能的影响.结果表明:纵向静磁场的施加使高温合金DD483单晶生长性受到破坏,强的磁场使得枝晶定向生长形态受到破坏,形成“雀斑组织”,对一次枝晶间距影响不大.施加磁场使得该单晶合金中合金元素的偏析降低;也使单晶高温合金DD483凝固态组织中γ’析出尺寸降低、碳化物和共晶组织尺寸和含量显著减小.同时磁场对该合金的单晶性和枝晶的定向生长行为的破坏使得合金的蠕变性能降低.     

Al-7Si-0.36Mg合金定向凝固一次枝晶臂间距实验和模拟

通过Al-7Si-0.36Mg合金定向凝固实验和元胞自动机模型,开展定向凝固枝晶形貌演化和一次枝晶臂间距选择过程的实验和模拟。结果表明:在给定的凝固条件下,一次枝晶臂间距范围是一个连续的变化区间。在恒定温度梯度和不同凝固速度条件下,测得Al-7Si-0.36Mg合金一次枝晶臂间距上限值(λmax)、下限值(λmin)和平均值(λave)以及生长速率之间的关系,且上限值和下限值的比值接近3。模拟结果与实验结果的吻合程度明显优于Hunt-Lu等解析模型的预测结果,表明CA模型在枝晶定向凝固过程枝晶形貌演化模拟和枝晶臂间距预测等方面的准确性。结合模拟研究和文献调研分析影响定向凝固一次枝晶臂选择的因素,包括抽拉速度v、温度梯度G、界面能大小、溶质扩散系数DL、枝晶生长取向与热流方向的偏离角度θ等。     

采用低温度梯度HRS工艺制备的镍基单晶高温合金雀斑组织

通过在高速凝固法(HRS)定向凝固过程中调整隔热挡板与壳型之间的间隙,获得了较低的定向凝固温度梯度(～30℃/cm),制备了含有雀斑组织的单晶高温合金试棒。结果表明:采用常规HRS工艺(温度梯度～50℃/cm)制备的合金一次枝晶间距为323μm,含有1.70%铸态共晶;而采用较低温度梯度HRS工艺制备的合金一次枝晶间距达到了704μm,是常规HRS工艺的2.2倍,并且合金的二次枝晶及三次枝晶较为发达;此外,雀斑组织区域包含较多平均晶粒尺寸为200μm的等轴晶晶粒和4.64%的铸态共晶,同时分布着富集Ta元素的MC碳化物。定向凝固过程中较低的温度梯度增大了合金的一次枝晶间距并使合金元素的凝固偏析加重,导致糊状区液相发生对流的倾向增大,从而促进了雀斑组织的形成。     

过冷熔体定向凝固过程枝晶生长的相场法模拟

利用二元合金相场模型与溶质场进行耦合计算，以Al-4．5％Cu合金为例模拟了二元合金定向凝固的枝晶生长过程。研究了不同过冷度下二元合金过冷熔体定向凝固时枝晶的演化过程及其溶质场的分布情况。结果表明：利用相场模型可以逼真地模拟枝晶的生长过程，以及界面形貌从平界面向柱状晶生长的转变，可再现枝晶演变过程中相互之间的竞争生长和熔合现象。     

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.     

定向凝固过程中镍基高温合金铸件的枝晶生长模拟（英文）

提高铸件的性能需要对其凝固过程中枝晶的生长深入了解,为此,采用数值模拟方法对定向凝固(DS)过程中枝晶的生长进行详细研究。考虑溶质扩散并耦合宏观温度场建立预测枝晶生长的多尺度模型。采用定向凝固实验验证模型的准确性,冷却曲线以及晶粒形貌的实验结果和模拟结果吻合较好。采用所建立的模型模拟枝晶的竞争生长,讨论分析具有不同结晶取向角枝晶的竞争生长行为。随后,采用模拟和实验的方法对三维枝晶的生长进行研究,模拟和实验结果吻合较好。通过3个不同的算例研究初始形核数对枝晶生长的影响。研究表明:初始形核数对柱状晶起始阶段的生长影响较大,对铸件最终的枝晶形貌和一次枝晶臂间距(PDAS)影响较小。     

DZ125高温合金定向凝固中的枝晶竞争生长及溶质分布模拟

采用元胞自动机法与有限差分(CA-FD)耦合计算,模拟了恒温度梯度定向凝固下DZ125高温合金枝晶竞争生长过程以及溶质分布.结果表明,模型能够动态演示DZ125高温合金微观组织演化的细节.在抽拉速度为10 μm/s时,糊状区枝晶干中心从枝晶底部到尖端存在1%/mm的溶质梯度,其界面前沿液相溶质浓度从44.16%衰减为合金原始溶质浓度38.68%;而在抽拉速度为100 μm/s时,糊状区枝晶干中心从枝晶底部到尖端溶质梯度很小,其界面处的液相溶质浓度为51.54%,比10 μm/s时的值大.在抽拉速度为100 μm/s时定向凝固枝晶间液相溶质浓度从底部到顶部逐渐减小,减小的幅度为20%/mm,其值与理论计算结果基本符合.     

Numerical simulaton of cellular/dendritic transition and its growth during unidirectional solidificationin of Ti–Al alloy

采用基于溶质扩散控制模型CA方法对Ti44Al合金定向凝固初始阶段变速冷却过程中胞/枝晶转变过程进行了数值模拟.模拟结果表明,在胞/枝转变过程中,存在胞-枝混合生长区,在一些胞晶相邻面无二次枝晶生长.在给定的冷却速率下,枝晶臂间距大于胞晶臂间距;而在过渡区,枝晶间距达到最大.另外,晶核数量对柱状晶间距产生影响,随着植入晶核数量的增加,柱状晶间距非均匀化程度明显减小.出现过渡区的原因与枝晶生长所引起固/液界面前沿成分波动有关.模拟与实验结果吻合较好.     

基于CA方法的Ti-45Al合金定向凝固过程微观组织模拟

采用CA方法建立了Ti-45Al(at.%)合金定向凝固过程中的组织演变数值计算模型,考虑了二元合金包晶反应过程,对液态金属冷却定向凝固过程中Ti-45Al合金的组织演变进行了模拟。模拟结果表明,定向凝固组织分为初生等轴晶组织、稳定生长的柱状晶以及中间过渡区域3部分,柱状晶一次臂间距随抽拉速度增大而减小。Ti-45Al合金在0.1 mm/min抽拉速度条件下,得到了以初生β相为主的凝固组织,在枝晶间溶质富集处有少量的包晶相析出,与相关试验结果基本一致。     

相场法模拟铝合金凝固过程的枝晶演变

本文基于Ginzberg-Landau理论,发展了一个改进的二元合金相场模型.并利用该相场模型与溶质场进行耦合计算,以Al-4.5%Cu合金为例模拟了二元合金等温凝固的枝晶演变过程.实现了逼真地模拟二元合金凝固过程的等轴枝晶演变,得到了二次或更高次晶臂生长等复杂的枝晶形貌.溶质场分布由枝晶生长过程所决定,枝晶初生晶臂中心的溶质浓度最低,在被二次晶臂包围的界面区域的溶质浓度最高;固溶界面区域具有较大的溶度梯度,其中枝晶尖端的梯度最大.相场法模拟计算得到的Peclet数的值与Lvantsov理论计算值吻合较好,从而验证计算结果的正确性.     

铸造镁合金的枝晶生长模拟

根据hcp晶体学结构和优先生长方向,建立了铸造镁合金晶体生长的物理模型,提出了一种新的随机性模拟方法--虚拟生长中心计算模型.模型考虑了枝晶生长动力学、各向异性和二次枝晶臂粗化,采用枝晶形状函数揭示了一次枝晶和二次枝晶的生长演化过程.引入坐标变换技术可更快速准确计算任意晶向枝晶的生长捕获.耦合了微观溶质场计算,得到了更准确的枝晶生长形貌和溶质分布情况.对Mg-Al合金定向凝固和等轴晶生长的模拟验证了本模型的正确性.     

Al-Cu合金凝固枝晶生长的数值模拟

基于元胞自动机方法构建了枝晶生长数值模型,并将其应用于Al-Cu二元合金凝固过程的模拟。在该模型中,枝晶尖端生长速度模型基于溶质守恒建立。模拟过程中重点考虑不同冷却速率及形核条件对柱状树枝晶形态与溶质偏析的影响。计算结果表明,凝固过程中溶质易于富集在枝晶臂之间的封闭或半封闭区域。同时,随着冷却速率加大,晶界偏析变得更为显著。形核密度在一定程度上影响着枝晶形态,特别是影响着二次和三次枝晶的生长。     

Ti-Al合金定向凝固过程中胞/枝晶间距选择的计算机模拟

利用溶质扩散控制模型对Ti-Al合金定向凝固初始阶段变速冷却过程中胞/枝晶转变过程进行了数值模拟。在给定的冷却速率下,枝晶臂间距大于胞晶臂间距,而在过渡区,枝晶间距达到最大。另外,模拟结果也显示,晶核数量对柱状晶间距产生影响,随着植入晶核数量的增加,柱状晶间距非均匀化程度明显减小。出现过渡区的原因与枝晶生长所引起固/液界面前沿成分波动有关。模拟与试验结果吻合较好。     

Fe-C合金等温凝固过程枝晶形貌的相场法模拟

基于KKS模型,采用相场和溶质场耦合的方法,对Fe-0.5%C(摩尔分数)合金凝固过程枝晶的生长进行了数值模拟,研究了晶粒的长大过程及各向异性强度和扰动等对枝晶形貌的影响.结果表明:晶体生长初期,晶粒形貌为球状,随着时间的推移,晶粒形貌由球状经星形向枝晶形转变,最后形成复杂的树枝晶;随着各向异性的增大,晶粒形貌由球形逐渐向四边形转变,最后形成树枝形;各向异性使晶粒形貌以枝晶方式生长,扰动是引发枝晶的侧向分支的主要原因.     

CA-LBM模型模拟Al-4.7%Cu固溶体合金成分分布和枝晶形貌

建立了耦合温度场、流场、溶质场的CA-LBM(元胞自动机-格子玻尔兹曼方法)数值模型,并用该模型研究了Al-4.7%Cu固溶体合金的凝固过程。模拟结果验证了模型的合理性,再现了合金凝固过程中的枝晶形貌和溶质偏析,并定量研究了自然对流、初始温度对溶质分布和微观组织的影响。研究表明,自然对流对枝晶形貌有明显的影响,使枝晶生长非对称化,即迎流方向的枝晶生长得到促进,顺流方向的枝晶生长受到抑制。初始温度对凝固进程和枝晶形貌影响较大,降低初始温度,枝晶生长加快且产生了二次枝晶,并造成枝晶尖端固液界面处溶质浓度偏高,加重了溶质偏析。     

Ti-45Al合金焊接熔池凝固过程数值模拟

采用元胞自动机法和有限差分法建立了宏微观耦合下的焊接熔池微观组织凝固模型,对Ti-45Al合金焊后凝固过程中的枝晶生长形貌和溶质场浓度分布进行模拟,并通过试验对模拟结果进行验证. 讨论分析了焊接热输入、内部形核数和表面传热系数对枝晶生长及形貌的影响. 结果表明,熔池内的组织主要由柱状晶和等轴晶两种形态组成. 热输入的增加和传热系数的减少均有助于柱状晶的生长,而内部形核数越大则越有利于等轴晶的生长. 所建立模型的计算结果与试验结果在关于枝晶生长的定向研究中有较好吻合.