超重力场下钢液中夹杂物上浮行为的数值模拟

 超重力技术可以有效提高固液两相间的重力差,在冶金领域,超重力场的引入可以大幅度增加金属熔体中夹杂物的去除效率。基于超重力冶金装置模型,根据动网格与流-固耦合理论,建立了不同重力场下固态夹杂物在钢液中上浮的流体动力学模型。该模型模拟了夹杂物在不同系数的重力场中上浮的运动状态,研究了超重力场中的重力系数与夹杂物尺寸等因素对颗粒上浮和流场分布的影响。模拟结果表明,在重力场系数恒定时,夹杂颗粒经短暂的加速上浮过程后,后续的上浮运动将趋于匀速,夹杂物的上浮速度会随着施加重力场的增大而增长,夹杂物附近的钢液也会被更快地“推开”,从而出现改变流动状态的趋势。尺寸d为1、10 μm的夹杂物颗粒由于其尺寸较小,在施加一定的超重力场后仍满足Stokes上浮模型;尺寸d为100 μm的大尺寸夹杂物则仅在约10倍重力场作用下符合Stokes上浮模型,当施加更大的重力场时,夹杂物附近的流场会由层流流动转变为湍流流动,不再满足Stokes定律。在研究不同系数重力场中夹杂物上浮的模型时发现,当重力场的系数大小随时间变化时,尺寸为1 μm量级的小尺寸夹杂上浮速度的变化幅度与重力场的变化幅度呈正比;而尺寸为10、100 μm的夹杂物在脱离层流流场后,上浮速度与重力场不再呈线性关系。     

超重力对梯度Al-Zn-Mg-Cu合金成分和微观组织的影响

提出了一种制备梯度Al-Zn-Mg-Cu合金的新方法,通过优化实验的工艺参数,在超重力降温离心的条件下结合定向凝固工艺获得具有梯度的成分含量、显微组织及力学性能。基于合金的析出特性,利用超重力技术和温度梯度区间实现冷却凝固过程中α-Al析出相和共晶T相的高效分离,大部分的α-Al析出相集中在试样顶部,而共晶组织主要分布在试样底部。不同密度的析出相在超重力的作用下分布于样品的不同位置,使得增大重力系数和扩大温度梯度有利于获得梯度范围更大的材料。结果表明,在超重力的条件下,降温离心可以在短时间内获得梯度铝合金,从而为梯度铝合金材料的制备提供了新的工艺手段和思路。