射流速度对点阳极电沉积二维镍枝晶分形生长影响的数值模拟

基于有限扩散凝聚模型(DLA)建立了圆形电解池点阳极喷射电沉积枝晶分形生长的模型,模拟射流速度对点阳极电沉积二维镍枝晶分形生长的影响;采用圆形电解池点阳极射流电沉积方法制备了不同射流速度下的金属镍枝晶簇,并与模拟结果进行了对比。结果表明:模拟结果与试验结果具有一定的相似性;随着射流速度的增加,沉积产物金属镍枝晶的形貌均逐渐致密,因此利用此模型模拟射流速度对点阳极电沉积枝晶分形生长的影响是可行的;气泡对镍枝晶的生长行为具有显著影响。     

喷射电沉积中镍枝晶分形生长的数值模拟

基于有限扩散凝聚(DLA)模型建立了平行板电极喷射电沉积的模型,实现了对平行板电极喷射电沉积不同生长阶段的模拟;并以平行板金属镍为阳极,石墨板为阴极,制备了二维的金属镍枝晶簇,并将模拟结果与试验结果进行了对比。结果表明:在石墨基体上制备的镍枝晶簇与计算机模拟的结果非常相似,利用此模型模拟平行板电极喷射电沉积中枝晶的分形生长是可行的。     

不同条件下金属镍电沉积中枝晶生长的分形维数

以环形金属镍为阳极,石墨为阴极,用自制试验设备研究了不同外加电压、电解液浓度以及温度等试验条件下金属镍二雏电沉积生长的行为特性,并从分形维数的角度对其进行分析.结果表明:在试验的电压范围内,随着外加电压的增大,沉积产物形貌向疏松分枝的结构发展,分形雏数的增长出现了波动;随着硫酸镍浓度的增大,枝晶形貌有由开放型向致密型转变的趋势,分形雏数随之加大;随着温度的升高,沉积产物的枝晶逐渐呈致密化,沉积产物分形维数呈增大的趋势.     

相场法模拟枝晶生长

基于Tong提出的耦合流场、温度场、噪音场的相场模型,发展了一个单相场控制的多个晶粒生长模型,对对流作用下的枝晶的非对称生长进行了模拟研究,考虑了枝晶的择优生长方向,应用该模型模拟了纯金属镍单枝晶和多枝晶在流体作用下的生长规律。模拟结果表明。金属液对流对枝晶生长形貌产生重要的影响,该模型能够较真实地再现凝固过程的枝晶生长过程。     

改进元胞自动机法数值模拟高温合金凝固过程枝晶生长行为

提出了一种改进元胞自动机方法,该法充分考虑了溶质场和热扩散对枝晶生长的作用,并基于溶质场方程的27点离散格式,对多元高温合金凝固时的枝晶生长行为进行了数值模拟和试验对比,研究了枝晶生长形貌演变和单晶叶片铸件杂晶形成规律。结果表明:增大过冷度能促进枝晶快速生长,但由于溶质富集,单晶粒枝晶尖端生长速率随时间延长而逐渐减小;当冷却速率较低时,铸件等截面区域偏离热流取向的枝晶会淘汰与热流取向相同的枝晶;在定向凝固枝晶生长中,等温线内凹温度场中的变截面区域易形成杂晶;上述模拟计算结果和试验结果及相关文献的研究结果一致,该改进元胞自动机方法具有一定的有效性和实用性。     

Lattice Boltzmann方法在枝晶生长模拟中的应用

将模拟流场和浓度场的Lattice Boltzmann方法(LBM)和一个模拟枝晶生长的改进cellular automaton(MCA)模型相耦合,模拟了合金凝固过程中单枝晶在纯扩散和存在对流两种条件下的生长行为.结果表明:在纯扩散条件下,枝晶呈现对称生长形貌;但存在对流时,枝晶的生长在上游方向得到促进,而在下游方向受到抑制,形成了非对称的枝晶生长形貌.模拟的纯扩散和对流枝晶形貌与前期的MCA-传输模型的模拟结果吻合较好.     

弱电解质溶液EDM/ECM复合加工机理研究

弱电解质溶液中利用电沉积补偿电极损耗的电火花/电化学复合加工技术可以大幅降低电极损耗,对提高微细电火花加工效率具有重要意义。由于该工艺方法是EDM/ECM复合加工领域一个新的研究方向,研究成果很少。为加深对利用电沉积补偿电极损耗的电火花/电化学复合加工技术的认识,基于实验结果,对弱电解质溶液中的电火花/电化学复合加工的材料去除机理、放电通道形成机理及电极损耗机理进行了初步探索,得到了以下结果:电火花放电蚀除和电化学溶解共同将工件材料去除;大量气泡存在于电极间隙使复合加工放电通道的形成异于电火花放电加工;电沉积作用和电火花放电蚀除共同对工具电极损耗产生影响。     

复合电沉积初始阶段预吸附的惰性颗粒对金属离子沉积的影响研究

研究了复合电沉积初始阶段预吸附的TiO2颗粒对金属镍离子电沉积的影响,首次观察到在复合电沉积初始阶段预吸附的TiO2颗粒导致镍离子异常成核和快速生长的现象.提出了逐步电沉积方法,结合循环伏安曲线和电化学阻抗谱等电化学方法,研究了预吸附TiO2颗粒对镍离子沉积的影响作用.结果表明预吸附的TiO2颗粒能够增加阴极表面的活性位点密度,并减小阴极表面的电荷转移阻抗,从而加快吸附原子的电结晶步骤.结合上述研究建立了预吸附惰性颗粒影响金属离子沉积的物理模型.本研究提供了一种金属离子快速沉积和纵向生长的可能,对于揭示复合电沉积过程中惰性颗粒与金属离子的共沉积机理和行为具有重要意义.     

电弧增材成形单道两层熔积过程中的晶粒生长模拟

晶粒生长的数值模拟是研究复杂微观组织演变的重要手段,现有的研究较少涉及电弧增材成形中晶粒生长的数值模拟。采用有限元和元胞自动机方法建立了碳钢电弧增材成形过程的宏观传热和微观组织演变的耦合模型,模拟单道第两层熔积的熔池凝固过程中晶粒动态演变过程。模拟结果显示,单道第一层熔积熔池凝固过程中晶粒从熔合线位置形核后向熔池中心生长,在温度梯度方向与枝晶臂优先生长方向的共同作用下,枝晶呈现竞争生长,晶粒优先生长方向与温度梯度方向一致的晶粒生长更快,部分晶粒生长被抑制,最终形成交错、完全粗大的柱状晶组织,枝晶之间出现溶质富集的现象;单道第二层熔积的晶粒在上一层粗大柱状晶基础上形核并生长,随后的生长过程与第一层类似,第二层熔积时熔池温度梯度方向的改变导致晶粒的主要生长方向与第一层之间有一定夹角。与模拟相同成形工艺的成形试样金相照片验证了模拟结果。研究结果可为电弧增材成形微观组织控制以及后续工艺规划提供依据和参考。     

基于Sola算法强迫层流纯物质枝晶生长相场法模拟

采用SIMPLE算法耦合流场的相场法模拟过冷熔体枝晶生长过程计算效率较低.将计算效率较高的自适应压力迭代法修正的Sola算法与相场模型结合,建立模拟过冷熔体在强迫层流状态下枝晶生长的Sola-相场模型(Sola-phase field model, S-PFM),实现过冷熔体流动场与相场的完全耦合,基于该模型模拟高纯丁二腈(SCN)过冷熔体枝晶生长行为.结果表明,过冷熔体在层流状态下,迎流方向枝晶尖端生长速度大于无流动时候的枝晶尖端生长速度,而下游枝晶尖端生长速度小于无流动时候的枝晶尖端生长速度,它与TONG等采用结合SIMPLE算法的相场模型模拟结果一致;并且,流动法向枝晶尖端在其逆流侧出现漩涡初期生长速度不稳定;同时,过冷熔体层流速度越大,迎流方向枝晶尖端生长速度越大,固相率也越高.     

喷射电沉积制备泡沫镍实验研究

提出了一种制备泡沫镍的新方法——喷射电沉积法。该方法基于高电流密度容易生成多孔枝晶沉积层的原理,制备了具有简单形状的泡沫镍试样。研究了相关工艺参数（电解液成分、电流密度、电解液喷射速度等）对泡沫镍试样的微观结构影响,结果表明：多孔沉积层的孔壁由枝晶构成,孔壁围成了孔洞,孔隙率在30%～70%之间;随着电流密度的增大,泡沫镍的孔隙率逐渐减小;随着电解液喷射速度的提高,泡沫镍的孔隙率逐渐增大。     

基于稀土LaCl3的精密电铸工艺研究

以稀土LaCl3作为添加剂,通过极化曲线、微分电容测定,探讨了稀土LaCl3对电铸镍铸液性能的影响及其在电极表面的作用机理,并采用SEM、XRD等现代分析手段对镍电铸层微观结构进行测试。试验结果表明：LaCl3能够在阴极表面发生特性吸附,增大阴极极化,细化精密电铸层晶粒,提高精密电铸的沉积速度,电铸层的显微硬度得到显著提高。     

基于COMSOL的电喷镀阳极喷嘴设计研究

为了缩短阳极喷嘴研制周期,按液体湍流建立加工区域流场的数学模型,并按照“电镀,移动网格”建立二次电镀的数学模型,根据电喷镀加工工艺参数设置边界条件,采用COMSOL Multiphysics软件对加工区域进行数值模拟,分析加工区域流场分布及电场分布对实际加工的影响,并模拟不同时刻阴极生长的轮廓曲线,最终确定较好的阳极喷嘴设计方案。结果表明,底端圆弧状的阳极喷嘴获得的沉积层效果较好,计算机模拟结果与工艺试验结果一致。     

EBSD: a powerful microstructure analysis technique in the field of solidification

This paper presents a few examples of the application of electron back-scatter diffraction (EBSD) to solidification problems. For directionally solidified Al–Zn samples, this technique could reveal the change in dendrite growth directions from <100> to <110> as the composition of zinc increases from 5 to 90 wt%. The corresponding texture evolution and grain selection mechanisms were also examined. Twinned dendrites that form under certain solidification conditions in Al–X specimens (with X = Zn, Mg, Ni, Cu) were clearly identified as <110> dendrite trunks split in their centre by a (111) twin plane. In Zn–0.2 wt% Al hot-dip galvanized coatings on steel sheets, EBSD clearly revealed the preferential basal orientation distribution of the nuclei as well as the reinforcement of this distribution by the faster growth of <10 1 0> dendrites. Moreover, in Al–Zn–Si coatings, misorientations as large as 10° mm⁻¹ have been measured within individual grains. Finally, the complex band and lamellae microstructures that form in the Cu–Sn peritectic system at low growth rate could be shown to constitute a continuous network initiated from a single nucleus. EBSD also showed that the α and β phases had a Kurdjumov–Sachs crystallographic relationship.     

An experimental setup for obtaining metallic multilayer coatings with layers of nanometer thickness

An automated PC-controlled electrochemical setup for deposition of a specified number of different metal nanodimensional layers onto conducting substrates is described. Metallic layers are deposited in galvanic cells from solutions of corresponding electrolytes on a sample that serves as a cathode, while the anode is a plate of an inert material or a material dissolved during electrolysis. The electroplating is conducted by passing rectangular current pulses through the electrolyte solution between the sample and the anode. The amplitude (1 mA–1 A) and duration (1 ms–1 s) of the current pulses are set by a program. Samples are treated in the galvanic cells and rinsing baths according to a programmed route. In combination with efficient electrolytes for electrodeposition, the setup enables one to obtain multilayer structures of specified configuration with alternation of nanometer layers of different metals: normal metals, ferromagnets, paramagnetics, antiferromagnets, or superconductors. The characteristics of a normal metal (copper)-ferromagnet (palladium-nickel alloy) multilayer coating are presented.     

Microstructure of electrochemical micromachining using inert metal mask

Electrochemical micromachining (EMM) has been gaining popularity as an alternative method to fabricate microstructure. A method of EMM is proposed to produce microhole array or micro-dimple array, in which a patterned inert metal mask (platinum plate) is closely attached to workpiece (anode), not bonded to the anode. When voltage is applied across the anode and the cathode over which electrolyte flows at a high speed, the patterns in the mask are transferred to the anode, and microstructures are produced. A mathematical model to describe the actual machining process is established. By considering the effect of nonlinear electrolyte, the parametric finite element method is adopted to simulate and numerically analyze the erosion process. Some experiments are performed to verify the proposed model.     

Inducing dendrite formation using an atomic force microscope tip

Atomic force microscope (AFM) tip-induced nucleation, and dendrite growth of vapor deposited PETN films on Si (100) have been investigated at room temperature. The AFM tip induces a change from smooth and flat morphology to islands and dendrites, which is owing to the lowering and vanishing of 2-D nucleation barrier at the tip contact area; this action gives rise to the formation of large islands in the scanned area and dendrite growth along the scanning boundary.