镍基高温合金HRS定向凝固过程的计算机模拟及控制

本文通过计算机模拟镍基高温合金平板试样HRS定向凝固过程,建立了二维瞬态导热数学模型,并用此模型和以TP801B单板机为核心的控制系统,对镍基高温合金平板试样定向凝固过程中的固/液界面位置进行了实时控制,结果表明,受控试样的固/液界面位置能很快地趋于并稳定在隔热板附近。对界面位置的控制能有效地提高固/液界面前沿液体中的温度梯温及其稳定性,对合金的宏观和微观组织均有明显的改善。     

单晶高温合金固液界面形状及对凝固组织的影响

ＤＤ８单晶高温合金在高温度梯度宽变速定向凝固装置上进行了单晶定向凝固实验，并在实验基础上系统地分析了凝固条件对固液界面形状及凝固组织缺陷的影响。结果表明，提高冷却速率，限制凝固速率在特定临界速率Ｖ＊以下，可以保持平直的固液界面；当超过这一临界速率Ｖ＊时，固液界面出现下凹，下凹的间液界面将导致形成小角度晶界、显微组织疏松及发散凝固组织，高凝固速率将导致定向凝固过程的个稳定性，制造冷却速率的定向凝固装置是实现快速定向凝固的必要条件。     

静磁场下热电磁效应的数值模拟研究

根据电磁场理论和热电效应多物理场方程,建立了静磁场下金属材料定向凝固过程多场耦合模型。利用有限元方法对静磁场下对Pb-Bi合金材料定向凝固过程中试样尺度和枝晶尺度上的热电磁效应进行了数值模拟,并进行了定向凝固实验验证,实验结果与数值模拟结果相吻合。此外,对Fe-Ni、Pb-Bi、Cu-Sn和Zn-Cu四种合金系定向凝固过程中热电磁流动随磁场的变化进行分析。结果表明,施加静磁场会导致固液界面附近产生热电磁力和热电磁流动。随着磁场强度的增加,热电磁力逐渐增大,热电磁流动先增大后减小。对于不同合金,静磁场对热电磁流动的影响不同,达到最大热电磁流动所需施加的磁场强度也不同。     

高梯度双区加热定向凝固装置的研制

论述了双区加热定向凝固的原理，研制出了高梯度双区加热定向凝固装置。采用该装置进行定向凝固，既提高了固液界面前沿液相中的温度梯度，又大幅度降低了合金元素的烧损。     

抽拉速率对Ti-47.5Al-2Cr-2Nb-0.2B合金的定向凝固组织的影响

采用亚快速定向凝固装置成功地制备了Ti-47.5Al-2Cr-2Nb-0.2B合金定向凝固试样,观察了不同凝固速率下的固液界面形貌、过渡区和稳态区凝固组织.实验结果表明,在2μm/s抽拉速率下,合金界面以胞状界面形态生长,全片层组织(γ+α2)取向与生长方向成0°和45°的夹角,合金凝固时的领先相为β相.在100μm/s凝固速率下,合金界面以枝状形态生长,全片层组织方向与生长方向的夹角为90°,领先相从β相转化为α相.通过将合金中Cr和Nb元素的含量折算成Al的含量,计算Ti-48.3Al合金中α和β相界面生长温度,发现凝固速率达到180μm/s时,领先相可由β相转变为α相,理论计算结果支持实验中的相选择转变过程.     

超高速定向凝固K10合金组织与碳化物形态的变化

利用超高梯度定向凝固装置,其液固界面前沿温度梯度达1000～1300K/cm,研究了超高速定向凝固条件下,K10合金的超细柱晶组织,碳化物形态及分布的变化。经试验表明:定向凝固柱晶组织中,一次枝晶高度细化,二次枝晶退化甚至消失。碳化物呈方向性排列,形态由普通铸态下的岛状变成蠕虫状。     

直流电场对Al-4．5％Cu合金定向凝固组织的影响

对在不同电流密度的直流电场作用下Al-4.5%Cu合金定向凝固组织的变化进行了研究.结果表明,电流有促进Al-4.5%Cu合金定向凝固柱状枝晶生长的倾向.随着电流密度的增大,定向凝固的枝晶组织中二次枝晶明显细化,θ(CuAl2)相含量进一步增加.结合电流对凝固过程中固-液界面温度梯度和溶质再分配的影响,对实验结果进行了分析.     

Ti/Cu接触反应液相层等温凝固过程研究

针对Ti/Cu接触反应液相层在等温凝固过程中的组织形貌、反应相及成分分布规律进行研究.以Cu/Ti/Cu嵌入式整体结构试验件为试验对象进行等温凝固试验,研究等温凝固过程中,Ti/Cu扩散偶界面微观组织形貌的演变过程、反应相出现以及成分分布规律.     

高温材料定向工艺的模型化及数控研究

本文简述了高温合金定向工艺的模型化及使用计算机对凝固过程实施数值控制的基本方法、探讨了该方法的可行性及其对高温合金试样定向过程和定向组织的影响。结果表明,计算机能真实地模拟实际凝固过程,并能有效地控制该过程及定向组织。     

Ni-24.19wt%Nb过共晶合金跃迁减速定向凝固下初生Ni_3Nb相的消失

对Ni-24.19%Nb过共晶合金在定向凝固速率10μm/s和跃迁减速定向凝固下的组织进行了研究,结果表明:凝固速率10μm/s下,合金中出现了初生Ni3Nb相的生长,并在凝固20mm后达到了准稳态,与最高界面生长温度假设的理论分析相一致.在从10μm/s跃迁减速到1μm/s过程中,界面上液相溶质的变化,造成了初生Ni3Nb相的含量先增加后减少,而初生相的消失,凝固组织变为全耦合生长的共晶组织,主要是由于初生相与共晶相相互竞争生长造成的.另外,初生相的消失也不是在同一个平面上均匀进行的,而是从试样的边缘向中心逐渐发展的.     

三维铸件定向凝固过程模拟Ⅱ——非稳态定向凝固过程边界元解

定向凝固过程可分为两个阶段即为抽拉前的稳态过程和抽拉后的非稳态过程,此部分用边界元法对三维瞬态过程进行了数值模拟,给出了定向过程中的热源及温度分布特性。     

宽变冷速对定向凝固合金枝晶偏析的影响

利用多种定向凝固技术,研究了冷却速率在10~(-2)～10~2K/s范围内变化时对定向凝固钻基高温合金枝晶偏析的影响。结果表明:增大冷却速率可有效抑制枝晶偏析,对易偏析元素其效果更明显;冷却速率的增大细化了凝固组织的一次间距、加剧了溶质的非平衡分凝是抑制偏析的主要原因。     

深过冷液态金属的凝固特点

 本文评述了近年来深过冷液态金属凝固过程研究的新进展,论及深过冷获得技术、晶体形核与快速长大、凝固组织形态转变、界面绝对稳定性与无偏析凝固、以及准晶和非晶形成。     

改进单晶高温合金性能的途径

采用籽晶法在自制的高温高梯度ＬＭＣ定向凝固设备上制取了以平面、胞状、粗枝以及细枝界面形态凝固的ＮＡＳＡＩＲ１００单晶。研究了其铸态以及经１２８０℃、１３００℃和１３２０℃×４ｈＡ．Ｃ．处理的组织和性能。结果表明,快速的抽拉速率和尽可能高的固溶温度显著改善单晶高温合金的性能,在相同的抽拉速率下,高温度梯度显著降低显微疏松含量,缩小树枝晶间距,并且能够得到细小的、形状较规则的γ′相。     

电磁场作用下包晶合金定向凝固过程传输模型的建立

建立了二元包晶合金在电磁场作用下定向凝固过程中多场耦合的数学模型,并根据包晶转变不同阶段的特点,提出了包晶转变中固相分数的计算办法。该模型可以计算电磁场作用下包晶合金定向凝固中的流动、传热、传质的过程,为电磁场作用下包晶合金定向凝固过程的数值计算及对实验结果的分析提供理论依据。     

铸件定向凝固过程的数值模拟

 本文探讨大温度梯度下铸件定向凝固过程数值模拟的一些规律性。 为了提高计算精度,讨论了在大温度梯度条件下热传导方程中项对计算结果的影响。对如何处理凝固潜热,铸件-铸型界面热性质和初始条件等问题也进行了分析。 对同一铸件,在初始条件、边界条件和热物理参数相同的情况下,采用有限差分和有限元两种方法进行计算,并比较其优缺点。     

弯折翼尖对飞翼布局飞机气动特性影响

为提升无尾飞翼布局飞机航向控制能力,以典型飞翼布局飞机模型为研究对象设计了翼尖可绕弦线方向偏转结构。基于FL-14风洞单自由度动态试验系统开展了静态和动导数试验,研究了飞翼布局飞机基本气动特性及翼尖偏转对全机气动特性的影响。结果表明：无尾飞翼布局飞机航向呈静不稳定,航向动稳定性极弱,航向增稳设计及控制很有必要;翼尖偏转有助于增强飞机的航向静、动稳定性,并很好地解决了传统阻力类舵面航向增稳时导致全机升阻比下降气动效率降低的问题;翼尖偏转能够有效改善飞翼布局飞机恶化的荷兰滚模态使之趋近于常规布局飞机模态,这有利于简化飞机横航向控制律设计方法。弯折翼尖结构具有舵面少、效率高的特点,是航向增稳的有效手段,具有应用价值。     

凝固参数对定向镍基铸造高温合金中MC碳化物生长特性的影响

本文研究了定向凝固条件下凝固参数对一种镍基铸造高温合金中MC碳化物的形态、数量和分布的影响。在冷却速率很小的平面界面下,少量MC呈块状八面体;当界面转化为胞状时,MC在胞晶间呈长条状或鱼骨状;对于冷却速率较大的树枝状组织,MC则呈粗大的汉字体或较完整的花瓣状。在合金凝固形态由平面状向树枝状的转化过程中,合金中MC碳化物的数量急剧增多。     

涡扇发动机起动控制规律设计的功率提取法

根据涡轮发动机加减速控制规律设计的功率提取法原理,结合低转速部件特性预测方法,建立了用于双轴分排涡扇发动机起动控制规律研究设计的功率提取法模型,并编制了相应的计算程序。利用程序设计了某型双轴分排涡扇发动机单一状态和起动包线内的起动控制规律,并进行了相应的分析。计算结果表明,功率提取法能够应用于涡扇发动机起动控制规律的设计,并具有较高的计算精度。     

空间多刚体系统编队及姿态的协同综合控制

针对由多个非线性系统组成的多子系统的协同控制问题,给出了一种基于输出反馈的协同控制律的设计方法,并将其应用于空间多个刚体的编队控制和姿态的协同控制系统中,给出了空间多刚体系统编队控制及姿态协同控制问题有解的充分条件,设计了多刚体编队及姿态稳定的协同综合控制律。仿真结果表明,这种控制方法是有效的、可行的,所设计的控制器能够使整个刚体系统在空间运行过程中保持一定的队形,并且同时稳定控制描述各个刚体系统姿态的四元数。