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.     

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.     

DD6高温合金定向凝固枝晶生长的数值模拟研究

采用元胞自动机-有限差分(CA-FD)方法对DD6高温合金高速凝固法(HRS,high rapid solidification)定向凝固树枝晶三维生长过程进行模拟研究.建立温度场和溶质场耦合控制的枝晶生长模型,考虑抽拉速率和温度梯度等凝固条件的影响,同时考虑成分过冷、溶质分配系数、晶体择优取向等合金物性参数,模拟研究了枝晶形态的演化过程.模拟结果反映了高温合金树枝晶的竞争生长及形貌特征,描述了凝固过程的溶质分布变化及枝晶间距的动态调整过程.研究工作将模拟结果与实验结果进行了对比,两者吻合良好.模拟能够预测DD6高温合金HRS法定向凝固过程的枝晶形貌及一、二次枝晶间距动态调整过程.     

基于概率捕获模型的元胞自动机方法模拟镁合金枝晶生长过程

基于枝晶生长的基本传输过程和元胞自动机（Cellular Automaton,简称CA）模型基本原理,建立符合镁合金密排六方结构特点的凝固过程形核、晶体生长的数学模型。模型耦合宏观温度场和微观组织模拟计算,考虑溶质扩散、曲率过冷和各向异性等重要因素的影响,定义界面单元捕获规则,能够模拟枝晶生长的形态。应用本模型对单个等轴晶生长、等轴晶多晶粒生长及定向凝固中的柱状晶生长进行模拟并与实验结果进行对比,模拟结果与实验结果吻合较好,验证了模型的正确性。     

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。     

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.     

基于CA方法的铝合金铸件微观组织的数值模拟

目前数值模拟技术已经成为预测铝硅合金铸件的凝固行为以及微观组织形成演化过程的重要工具.通过建立元胞自动机模型,在其中耦合FT-STAR软件计算的温度场和试验获得的形核参数,模拟了某型号铝硅合金铸件重力铸造条件下枝晶形核以及不同择优取向枝晶的生长过程.使用该模型预测了该铸件凝固过程关键点的晶粒度和二次枝晶臂,与试验结果吻合良好.     

镁合金铸造成形过程宏观／微观模拟

通过研究镁合金压铸过程中界面热,采用热传导反算法确定压铸过程的界面换热系数,研究镁合金压铸过程中工艺参数及凝固过程对铸件界面换热系数的影响规律,建立镁合金压铸过程界面换热边界条件的处理模型,以实现镁合金压铸过程中凝固过程的准确预测。通过实验研究镁合金压铸过程中凝固组织,建立了镁合金压铸过程中形核模型。采用CA方法,建立了镁合金枝晶生长模型,以实现镁合金凝固组织的预测。采用相场方法研究了镁合金枝晶生长形貌。     

ULCB钢焊接熔池凝固过程数值模拟

采用元胞自动机法建立ULCB钢焊接熔池凝固过程的宏微观耦合模型,模拟非均匀温度场下焊接熔池凝固过程的组织形貌演变和溶质场分布,分析不同形核参数和合金成分对焊接熔池枝晶形貌的影响。结果表明,熔池边缘形成柱状晶,熔池中心形成等轴晶,柱状晶和等轴晶相互抑制长大;枝晶生长过程中始终存在着枝晶偏析现象;形核密度和合金成分影响枝晶的形核和生长,随着形核密度和合金成分的增加,焊缝中等轴晶区域增加,晶粒细化。     

Simulation of Grain Growth during Solidification of Twin-Roll Continuously Cast Pure Aluminum with a Modified CA Model

基于枝晶生长的基本传输过程和元胞自动机(Cellular Automaton,简称CA)-有限元(Finite Element,简称FE)模型基本原理,建立了适应双辊连续铸轧纯铝薄带工艺特点的凝固过程形核和晶体生长的数学模型。模型耦合了宏观温度场和微观组织模拟计算,考虑了溶质扩散、曲率过冷和潜热释放等重要因素的影响,能够模拟凝固过程中枝晶生长的形态。应用本模型对双辊连续铸轧纯铝薄带凝固过程中等轴晶生长、等轴晶多晶粒生长及柱状晶生长、柱状晶向等轴晶演化进行模拟并与实验结果进行对比,模拟结果与实验结果吻合较好     

镍基高温合金铸件液态金属冷却定向凝固建模仿真及工艺规律研究

考虑了液态金属冷却定向凝固过程中动态对流边界,建立了高温合金铸件温度场数学模型,采用三维元胞自动机(cellular automaton,CA)方法和KGT生长模型,建立了镍基高温合金凝固过程晶粒形核及生长的数学模型.采用宏观模型与微观模型双向同步耦合,实现了温度场和晶粒组织的数值模拟.进行了浇注实验,用冷却曲线和晶粒形貌验证了数学模型的准确性.对液态金属冷却定向凝固规律的研究表明,抽拉速率不仅对糊状区形状有重要影响,而且对晶粒的平行度以及枝晶组织的细密性也有很大的影响.抽拉速率过小时,糊状区上凸,晶粒组织易发散;抽拉速率过大时,糊状区下凹,晶粒组织汇聚,同时造成枝晶组织的粗化;适当的抽拉速率下能获得平坦的糊状区,提高晶粒的平行度,细化枝晶组织.     

Al-7Si-Mg合金凝固过程形核模型建立及枝晶生长过程数值模拟

针对铝合金砂型铸造较低冷速特点,通过实测和分析不同凝固条件下的冷却曲线,建立了适用于铝合金形核密度随最大形核过冷度呈指数性变化的形核函数.通过与Pandat软件热力学、动力学、平衡相图数据库相耦合,并利用空间坐标变化等算法,建立了适用于三元铝合金二维、三维枝晶生长的CA模型.在该模型中,同时考虑了溶质扩散、成分过冷、曲率过冷、晶体择优取向以及不同组元之间相互作用等重要因素的影响.利用建立的形核和生长模型,模拟了Al-7Si-0.36Mg合金在不同凝固条件下的二维枝晶演化及形貌特征,描述了溶质组元的分布特征以及定量地预测了二次枝晶臂间距的变化,并与实验结果进行了对比.三维枝晶的模拟结果有效反映了枝晶空间结构复杂性和多样性,并与实验结果吻合良好.     

一次枝晶间距的数值统计模型

从统计学随机性和动力学必然性的角度，通过对定向凝固界面形态演化过程的分析，结合现有的实验观察与已有的枝晶模型，采用统计学随机模拟的方法提出了一个在恒速定向凝固条件下列状晶生长一次枝晶间距的数值统计模型，模型所得数值结果与实验结果吻合得很好。     

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。     

镁合金压铸过程界面传热行为及凝固组织结构的表征与模拟研究

本文系统介绍了镁合金压铸界面换热行为以及凝固微观组织结构的实验表征及计算模拟方面的研究进展,包括:(1)一种基于换热系数的边界设定模型,由此发现了压铸界面换热系数可以分为初始升高、高值维持、快速下降及低值保持4个阶段;(2)压室预结晶流动分布预测模型,据此得到了压室预结晶组织的主要分布规律及其对镁合金铸件缺陷带形成的影响;(3)考虑压室预结晶组织的压铸镁合金形核模型及生长模型;(4)结合离异共晶形核及生长机制建立的镁合金压铸工艺条件下微观组织演变的数学模型;(5)镁合金枝晶组织的三维形貌和生长取向的研究,发现镁合金枝晶组织呈现十八个分支的形貌特征,分别沿着基面的112ˉ0方向和非基面的112ˉ3方向生长,由此建立了镁合金枝晶各向异性的生长模型,实现了镁合金枝晶组织的三维模拟研究。     

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。     

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.     

薄板试样定向凝固枝晶竞争生长

深入理解高温合金定向凝固杂晶演化具有重要的科学和工程意义,其中枝晶竞争生长是揭示晶界演化与淘汰的关键环节。定向凝固双晶竞争生长的实验研究证实了传统尖端过冷度理论的局限性,定量相场模拟的研究获得了大量统计规律,促进了人们对定向凝固双晶竞争生长的理解。本研究在薄板状试样的定向凝固过程中,同时获得了大量的不同取向竞争生长的枝晶,通过拼接金相显微组织同时获得多个晶界的取向演化规律。结果表明,枝晶列竞争生长主要通过晶界两侧不同取向一次枝晶臂及二次枝晶臂的交互作用实现。在汇聚生长过程中,择优枝晶一次臂阻挡非择优枝晶,并且择优枝晶自身无法形成三次臂,导致晶界方向沿择优枝晶生长方向。发散生长过程中,处于温度梯度方向一侧时,两列枝晶的竞争生长方式以非择优枝晶新生三次臂为主,晶界以沿择优枝晶方向生长为主;当两列枝晶处于温度梯度不同侧时,两列枝晶均有三次臂新生的概率,其晶界在两列枝晶取向之间。实验统计结果给出了晶界随两列竞争生长枝晶的取向的变化规律,与定量相场模拟结果吻合。商业软件ProCAST的CAFE计算晶粒定向竞争生长晶界演化统计结果与实验结果存在较大偏差,其主要原因是CAFE仅给出晶粒尺度的轮廓信息,未考虑溶质扩散及二次臂的竞争。本研究获得的薄板状试样枝晶竞争生长的统计规律,对认识高温合金定向凝固过程中晶界取向的演化具有重要的意义,对柱状晶叶片的制备具有指导意义。     

垂直向上凝固Al-Cu铸件中微观孔洞形成的数值模拟

基于枝晶间流动的Darcy定律,考虑了凝固过程氢的宏观扩散与传输,建立了耦合氢宏观偏析的铝合金铸件微观孔洞形成的数学模型,并进行了实时熔炼的Al-4.5%Cu(质量分数)铸件的垂直向上凝固实验,铸件微观组织和孔洞的分析结果表明:铸件沿着高度方向包括了柱状晶、柱状晶向等轴晶转变(CET)和等轴晶3个区域;柱状晶区域内微观孔洞体积分数存在递减的分布规律,且邻近底部冷模的试样微观孔洞体积分数最大.采用所建立的模型对实验铸件微观孔洞形成进行了模拟,模拟结果与实验结果吻合较好;而当忽略氢宏观偏析时,模拟结果与实验结果存在较大误差.研究表明,氢的宏观偏析对微观孔洞的形核与分布具有重要影响.     

Modeling of Microporosity Formation in a Vertical Upward Unidirectional Solidification Al-Cu Casting

基于枝晶间流动的Darcy定律, 考虑了凝固过程氢的宏观扩散与传输, 建立了耦合氢宏观偏析的铝合金铸件微观孔洞形成的数学模型, 并进行了实时熔炼的Al-4.5%Cu(质量分数)铸件的垂直向上凝固实验, 铸件微观组织和孔洞的分析结果表明: 铸件沿着高度方向包括了柱状晶、柱状晶向等轴晶转变(CET)和等轴晶3个区域; 柱状晶区域内微观孔洞体积分数存在递减的分布规律, 且邻近底部冷模的试样微观孔洞体积分数最大．采用所建立的模型对实验铸件微观孔洞形成进行了模拟, 模拟结果与实验结果吻合较好; 而当忽略氢宏观偏析时, 模拟结果与实验结果存在较大误差．研究表明, 氢的宏观偏析对微观孔洞的形核与分布具有重要影响．