双辊连续铸轧纯铝薄带凝固微观组织模拟及验证

以双辊连续铸轧薄带工艺凝固过程为基础,同时基于金属凝固的基本原理建立了双辊连铸薄带凝固过程的异质形核模型、修正的枝晶尖端生长动力学模型、柱状晶向等轴晶转变(CET)的解析模型以及基于元胞自动机(CA)的双辊连续铸轧薄带凝固组织演变的仿真模型。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,同时利用双辊薄带连续铸轧工业纯铝凝固过程验证了数学模拟的可行性。     

铝硅共晶柱状晶凝固

 将强制凝固的理论和试验结果应用到铝硅共晶铸锭柱晶凝固过程,得到了共晶片间距同凝固速度、形核过冷间的关系。柱晶凝固时共晶片间距同平均凝固速度因子V~(-2/3)成正比,还同凝固时形核过冷密切相关,形核过冷增加使共晶片间距减小。文中讨论了影响形核过冷的诸因素和凝固组织均匀性问题。     

金属激光增材制造过程数值模拟

金属激光增材制造过程中,热应力导致零件发生形变;气孔与熔合不良等缺陷降低零件的拉伸以及疲劳性能;熔池内的凝固微观组织,尤其是柱状晶等轴晶转变(Columnar to Equiaxed Transition,CET)是影响零件性能的重要因素。针对上述3个方面,回顾了金属激光增材制造数值模拟的发展历史,对其研究现状和存在问题进行了评述,阐述了金属激光增材制造过程中所采用的数值模型和数值方法,包括热应力分析的有限元(Finite Element Method,FEM)方法、模拟熔池金属液流动的计算流体力学方法(Computational Fluid Dynamics,CFD),以及凝固微观组织模拟的相场法(Phase Field,PF)和元胞自动机方法(Cellular Automaton,CA)。在此基础上对金属激光增材制造过程数值模拟的前景及趋势进行了展望。     

基于Tanaka-Mura模型的电子束焊接头疲劳裂纹萌生模拟

为揭示高温合金电子束焊接头的疲劳特性,对其开展了疲劳裂纹萌生数值模拟研究。考虑焊缝区微观组织特性,对Voronoi图法进行改进,建立了焊缝区包含柱状晶、细等轴晶及粗等轴晶的混合晶区微观组织模型;对ABAQUS进行二次开发,考虑晶粒随机取向,生成晶粒多滑移带模型。基于Tanaka-Mura位错滑移模型,编写了疲劳裂纹萌生算法,考虑晶界处裂纹的连接与合并,对算法进行了改进,并结合有限元计算建立了电子束焊接头疲劳裂纹萌生数值模拟方法。基于上述方法对GH4169电子束焊接头不同载荷大小的疲劳裂纹萌生进行数值模拟,分析了裂纹萌生过程及萌生寿命,并与试验结果进行对比验证;还探讨了不同热影响区晶粒尺寸对焊接接头疲劳裂纹萌生的影响规律。结果表明,电子束焊接头疲劳裂纹均萌生于热影响区,但随着载荷水平的提高,萌生位置向熔合区一侧靠近;当热影响区晶粒尺寸与母材区晶粒尺寸越接近时,接头疲劳寿命越长。     

枝晶结构及溶质引起的流体流动对反偏析的影响

本文选择了水平方向、由下向上及由上向下三种定向凝固工艺,对Al-4.5%Cu及Al-4.5%Cu-0.5%Mn合金的反偏析规律进行了研究。结果表明,枝晶组织对反偏析有极大影响,对于细小的等轴晶组织几乎不存在反偏析。Kirkaldy和Youdelis的反偏析理论只适用于柱状晶组织,对于等轴晶及等轴晶-柱状晶混合组织,作者对此理论进行了修正。溶质引起的流动对反偏析也有着重要影响,这种影响可归结为对一次晶固相浓度及固—液共存区的液相浓度的改变。     

磁搅拌对铝铜合金MIG焊缝形状、组织及性能影响

研究电磁搅拌对2219铝铜合金脉冲MIG焊焊缝形状、组织及性能的影响.实验结果表明,电磁搅拌使MIG焊缝由指状熔深变为椭圆形熔深,改善焊缝成形.电磁搅拌通过增加焊缝中非均质形核核心,降低固液前沿液相的温度梯度,促进粗大柱状晶和枝晶转变为细小等轴晶,提高焊缝金属的强度和塑性.     

浇注温度对K4169高温合金晶粒组织影响的计算机模拟

利用Fortran语言编程,采用有限差分法分别解用热焓法处理结晶潜热的圆柱坐标系一维不稳定热传导方程,模拟了K4169高温合金圆柱锭某一横截面凝固过程中温度的变化,它正确地反映了在不同铸造工艺条件下合金铸件横截面上温度的变化规律。通过固相分数,将合金铸件凝固温度场模拟及其连续形核模型、枝晶尖端生长的动力学模型相耦合,计算了不同浇注温度下K4169高温合金圆柱锭凝固过程中晶粒组织的特征值,包括晶粒密度和平均晶粒尺寸,并参考二维CellularAutomaton方法,实现了在计算机屏幕上晶粒形成的动态显示,模拟结果和实验结果吻合较好。     

铸造钛铝合金组织与力学性能

根据对钛铝合金铸态组织的金相观察,分析了合金元素Ｃｒ,Ｖ,Ｎｂ对铸锭组织的影响。研究发现,合金元素Ｃｒ,Ｖ有利于柱状晶生长,在这种柱状晶组织中γ／α２层片排列具有较强的择优取向,即层片界面垂直于柱状晶生长方向;而Ｎｂ抑制柱状晶生长,且含Ｎｂ的ＴｉＡｌ合金宏观等轴晶区和柱状晶区内层片组织均由等轴状的层片团构成,并以四点弯曲试验结果对不同合金化条件的钛铝合金的力学性能的方向性做了评价。     

双脉冲MIG焊对2195Al-Li合金焊缝组织及性能的影响

研究了双脉冲MIG焊工艺对2195高强铝锂合金焊缝组织及性能的影响,通过焊后热处理工艺大幅提高了接头的力学性能。实验结果表明,在合适的双脉冲MIG焊工艺参数下,焊缝金属得到了大量的细小等轴晶组织,柱状晶数量明显减少,接头力学性能得到了提高。510℃×1h固溶＋150℃×11h时效焊后热处理后,接头性能得到进一步提升。     

低镍奥氏体不锈钢定向凝固组织CAFE法模拟

通过对ProCAST&CAFE软件进行二次开发建立凝固过程动态边界条件,模拟低镍奥氏体不锈钢定向凝固过程中的温度场和固相分数,并探讨抽拉速率对凝固微观组织的影响。结果表明,随着抽拉速率的增大,等温线变密,糊状区变窄;铸件一次枝晶臂逐渐细化,边缘侧向散热逐渐远小于中心纵向散热造成一次枝晶轴向偏差度逐渐减小,晶粒择优取向效果提高。与此同时,模拟结果与实验结果吻合较好,模拟计算形核、生长及取向过程较为合理。     

电磁搅拌对铸锭凝固组织的影响

疏松和偏析是铝合金铸锭中的常见缺陷，它们的存在严重影响了产品的使用性能与使用寿命。获得致密、均匀的凝固组织是提高金属材料综合机械性能的重要途径，旋转型电磁搅拌在钢的连铸工艺中已得到广泛应用，研究了旋转型电磁搅拌对铝合金铸锭凝固组织的影响。研究结果表明：在凝固过程中施加电磁搅拌，能明显细化晶粒，增加铸锭断面上的等轴晶区宽度，减轻疏松，抑制铝合金铸锭中铜的逆偏析。     

连铸连轧镁合金AZ41微观结构与摩擦磨损性能

为研究铸轧镁合金AZ41板材的摩擦磨损性能,通过连铸连轧制备出镁合金AZ41板材,并观察其铸轧态和热处理态的微观组织结构特点。研究了滑动干摩擦条件下滑动速度和载荷对AZ41镁合金板材摩擦磨损性能的影响,采用扫描电镜观察磨损表面形貌,探讨了其磨损机制,并利用有限元方法模拟了其磨损时的应力分布。结果表明：制备的镁合金AZ41在（1012）上出现了大量压缩孪晶,经热处理后晶粒变为等轴晶;摩擦系数随着转速的增加而升高,在一定范围内随载荷的增加而降低;磨损量随着载荷和转速的增加而增加,低载时磨损机制为磨粒磨损,伴有氧化磨损的发生,高载时其磨损以粘着磨损为主。     

浇注温度和细化剂对K4169高温合金微观组织的影响

研究了降低浇注温度或加入细化剂后 ,K4 16 9合金晶粒细化的微观组织、夹杂及缩松等的变化。发现同样加或不加细化剂条件下 ,浇注温度越低 ,一次枝晶主轴长度和二次枝晶臂距越小。而同一浇注温度下 ,化学法细晶试样一次枝晶主轴长度较普通试样的短 ,而二者的二次枝晶臂距无明显差别。晶粒细化后 ,晶粒形态由普通铸造组织中的树枝晶向细晶组织中的粒状晶转变 ,且合金中主要元素的偏析减轻 ,这均有利于提高细晶铸件机械性能。MC型碳化物和Laves相的尺寸、数量和形貌在晶粒细化前后变化不大。铸件中加入微量细化剂不形成夹杂 ,不改变合金相组成。此外 ,加细化剂不仅可使晶粒细化 ,同时铸件中的缩松大大减少     

辐射涂层对空心涡轮叶片定向凝固组织的影响

为了得到组织细密的定向晶叶片,采用数值模拟和实验相结合的方法,对比研究了铸型表面涂挂具有较高辐射性能的石墨涂层和氧化铬涂层对空心涡轮叶片定向凝固组织的影响。理论分析表明,铸型表面辐射系数提高能够在一定程度上提高铸件顶端的温度梯度。实验结果表明,通过在铸型表面涂挂氧化铬涂层材料,显著提高了铸型表面辐射散热性能,降低了铸件顶端的一次枝晶间距。铸件顶端的一次枝晶平均间距为336 μm,较未涂挂任何涂层减小12.5%,较涂挂石墨涂层减小2.9%,定向晶组织得到显著细化。采用铸型外表面涂挂氧化铬辐射涂层的方法成形的复杂结构空心涡轮叶片定向晶组织形态良好。     

材料对激光多层涂覆定向凝固显微组织的影响

利用316L不锈钢和Ni35两种合金粉末在定向凝固镍基高温合金基材上进行激光多层涂覆实验,并对涂层内部的凝固显微组织形成机理进行研究。结果表明在本文的实验条件下,利用316L不锈钢材料可以得到晶体取向良好的定向凝固涂覆层。而对于本身容易形成等轴晶的Ni35自熔合金,尽管实验在定向凝固的基材上进行,涂层中的凝固显微组织仍趋向于等轴晶形态。     

激光超高温度梯度快速凝固条件下Cu-Mn合金的组织演化规律

利用CWCO2激光器对Cu-26.6wt%Mn,Cu-27.3wt%Mn和Cu-31.4wt%Mn三种不同成分的合金进行了一系列表面熔凝实验,并对这三种合金的组织形态选择规律进行了研究.实验结果表明,重熔区组织较基体组织大大细化;随着生长速度的增大,Cu-26.6wt%Mn合金的组织由低速胞晶向枝晶、高速胞晶及完全无偏析固溶体转变.在所有凝固速度下Cu-27.3wt%Mn和Cu-31.4wt%Mn合金中没有枝晶组织出现,以全胞晶形式生长.三种合金达到绝对稳定的临界速度分别为113.3,212.6和260.5mm/s,与M-S理论预言的绝对稳定临界速度相吻合.     

DENDRITE ARM SPACING OF DIRECTIONAL SOLIDIFICATION STRUCTURE OF HIGHLY UNDERCOOLED MELTS

Ｔｈｅｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｉｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄａｔａｐｏｓｉｔｉｖｅｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｇｒａｄｉｅｎｔ,ａｎｄｓｅｖｅｒａｌｋｉｎｄｓｏｆｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ...     

落管中Ni-Pb偏晶型合金的快速凝固组织特征及形成机制

Ni基偏晶合金是一种优良的自润滑耐磨材料,其组织形成规律对力学性能的影响十分关键.在自由落体条件下,对不同成分二元Ni-Pb偏晶型合金的快速凝固进行了实验研究.随着液滴直径的减小,Ni-20%Pb亚偏晶合金中α-Ni枝晶生长经历"粗大枝晶→等轴晶→蠕虫状枝晶"的转变.Ni-31.4%Pb偏晶合金的凝固组织以偏晶胞为主,...     

航空用石墨烯改性铝电缆导体研制进展

飞机电气化、信息化程度的不断提高,对航空电缆提出了更高的要求,常规铝导体的性能不能满足新型航空电缆对轻质、高强、高导电性能的需求。石墨烯具备极高的强度和导电率,是理想的高强高导改性材料。首先对比了现有电工铝和电工铜在力学性能和导电率上的差距;随后讨论了石墨烯优异的力学和电学性能;最后综述了石墨烯在改善铝基体力学性能和电学性能方面的研究进展。结果表明,采用粉末冶金、连铸连轧等制备工艺,石墨烯能有效提高铝基体的拉伸强度,同时有望保持延伸率不降低,但也会使导电率降低0.5%～4%;只有实现石墨烯在铝基体中的连续分布,才能充分发挥出石墨烯高导电率的优势,提高铝基体的电学性能。采用粉末冶金和连铸连轧等工艺手段,牺牲少量导电率,通过石墨烯大幅提高铝导体的力学性能,从而满足航空电缆的相关需求,将具备广阔的应用前景。