强磁场对半无限Al/Cu固液扩散偶凝固组织的影响

采用半无限Al/Cu扩散偶法,对磁场下Al-Cu合金凝固组织进行研究.结果表明:由于沿扩散方向Cu原子分数逐渐减小,凝固时,沿凝固方向依次生成α-Al胞/枝状晶等组织、Al-Al2Cu共晶组织和Al2Cu过共晶组织;在不同磁感应强度下(0～12 T),各组织发生了明显变化,胞状晶消失,枝晶粗化并发生偏转;共晶组织层间距与磁感应强度呈非线性关系,组织被扭曲;过共晶组织界面形貌变平整;Cu原子扩散距离缩短.利用XRD对α-Al枝晶区进行衍射分析,发现磁场下α-Al(100)晶面峰值强度变弱,(111)晶面变强.理论分析认为,强磁场对熔体流动的抑制作用和磁场下晶体的磁各向异性是导致上述现象的主要原因...     

脉冲电流频率对Al-Cu合金定向凝固组织演变的影响

采用自行设计的定向凝固装置进行Al-Cu合金定向凝固行为研究,研究Al-5%Cu合金在脉冲电流作用下微观组织的演变特征.结果发现:脉冲电流的导入明显改变了定向凝固的Al-Cu合金凝固组织形态,不同频率的脉冲电流具有不同的影响效果,在100Hz的小频率电流作用下,合金的定向凝固特征加强,枝晶结构不明显,但定向凝固形成的柱状晶半径加大,随着电流频率增大到200Hz,二次枝晶结构开始显现,组织呈现树枝状结构特征,当300Hz电流频率时,组织结构呈现排列整齐的的骨架结构,随着电流频率继续增加到400Hz时,组织变为细小的树枝状结构特征,组织整体比较细小,而且分布较均匀,在500Hz高频率电流作用下,组织又显得粗大,呈现向等轴晶转化趋势.     

PF-LBM模型模拟强迫对流对二元合金枝晶生长的影响

建立一个耦合格子玻尔兹曼方法(LBM)与相场法的二维模型,以Al-Cu二元合金为例对强制对流作用下合金凝固过程中的枝晶生长行为进行模拟.研究流动速度和各向异性系数对金属凝固过程中枝晶生长的影响.结果表明:对流对枝晶形貌影响很大,上游枝晶的枝晶臂最长,下游枝晶臂最短,整个枝晶呈现非对称形貌;对流速度越大,上游枝晶生长越快,流速增大会产生涡流,使下游枝晶也生长加速;各向异性系数越大,主枝枝晶臂越瘦长,流场存在会增强各向异性强度对凝固过程枝晶生长的影响.     

强磁场对Al-4.5％Cu合金枝晶生长行为影响的初步研究

以Al-4.5%Cu合金为对象进行了稳恒强磁场对枝晶生长行为影响的初步研究,发现10 T的强磁场明显影响了Al-4.5%Cu枝晶定向生长组织.生长速度R在5,10,20μm/s时,无磁场的条件下形成规则的树枝晶的组织,施加10 T强磁场后,界面淬火枝晶组织变得不规则,在随后的凝固过程中树枝晶组织几乎消失,形成接近胞晶形态的组织.磁场强度达到4 T以上后,枝晶间距明显增加.施加强磁场后宏观组织细化,晶粒增多,形成定向凝固下的等轴晶组织的特殊现象.随着生长速度的增加,磁场的作用逐渐减弱.     

Al-La合金不连续枝晶组织形成机理

在Al-La合金的自由凝固试样中,发现Al-35%La合金组织形貌的特殊性,其先结晶相Al11La3枝晶沿主干方向成分是不连续的. 为验证这种组织存在的真实性,采用定向凝固方法制备了不同冷却速度下的Al-35%La合金试样,结果显示出定向凝固Al-35%La合金中Al11La3枝晶沿主干方向成分是不连续的. 在此基础上,分析了化学成分与凝固速度对Al-La合金组织的影响,并初步探讨了这种不连续枝晶的形成机理.     

自适应有限元法对合金定向倾斜枝晶生长的相场法模拟

建立了合金定向倾斜枝晶生长的相场模型,采用非均匀网格的自适应有限元法求解薄界面层厚度条件下的相场模型,研究了Al-Cu(w(Cu)=4%)合金的倾斜枝晶演化过程,定量分析了冷却速率、主晶间距对凝固组织的影响.结果表明:冷却速率、主晶间距和抽拉速度可以控制倾斜枝晶的生长角度,随着冷却速率的增加,枝晶的生长会偏离择优取角向温度梯度方向偏转,反之主晶间距和抽拉速度增大,枝晶的生长角度逐渐从温度梯度方向朝着晶体择优方向偏转.此外,自适应有限元法相较于均匀网格法在CPU的运行时间上降低了一个数量级,并且随着计算域的增大,自适应有限元法的计算效率越高.     

强磁场对Al-Cu合金凝固组织及溶质分布的影响

对亚共晶Al-10.5%Cu(质量分数)合金进行了均恒强磁场和梯度强磁场下的凝固实验,考察了强磁场对凝固组织形貌及α-Al晶粒内溶质含量的影响.实验结果表明,施加均恒强磁场和梯度强磁场后,组织形貌变化不明显,而α-Al晶粒内溶质含量有所增加.分析认为,这是因为强磁场下的洛仑兹力抑制了凝固过程中固液界面处的Cu原子向液相内的迁移,从而提高了溶质元素在α-Al晶粒内的含量.改变梯度强磁场的方向,α-Al晶粒内溶质含量无明显变化.     

强磁场对定向凝固Pb-Sn共晶生长影响的初步研究

在10 T强磁场下对Pb-Sn共晶合金沿垂直向上方向进行定向凝固实验,分析了强磁场对共晶生长的影响.实验发现,强磁场下耦合生长的Pb-Sn共晶两相的排列方向明显偏离垂直方向,极端情况下甚至出现近似横向的排列.这种现象的产生与领先相Pb的磁性能相关.     

强磁场下Cu-25%Ag合金的凝固行为

研究了强磁场对Cu-25%Ag(质量分数)合金凝固组织的影响,分析了不同磁场条件对合金凝固组织的作用机理.研究发现,均恒磁场和梯度磁场对合金的凝固组织有重要影响,改变了富Cu枝晶形貌和尺寸,无磁场条件下初生富Cu枝晶分布不均匀,一次枝晶比较长且粗大,枝晶主要以柱状枝晶为主;在12 T磁场条件下,富Cu枝晶分布比较均匀,一次枝晶变短、粗化,枝晶主要以胞状枝晶为主;在负梯度磁场条件下,富Cu枝晶分布不均匀,在试样下部,树枝晶减少,以小平面方式生长的粗大胞晶为主.通过实验研究表明,利用均恒强磁场控制Cu-Ag合金凝固组织,细化晶粒、减小偏析是具有可行性的.     

基于PF-LBM模型的自然对流影响枝晶生长模拟

基于二元合金枝晶生长的相场模型,建立耦合流场、温度场和溶质场等物理外场的多元合金相场模型,模拟了单晶粒和多晶粒在自然对流作用下的生长,观察了枝晶凝固过程中的枝晶形貌、流场以及溶质场的变化.研究发现:温度梯度和浓度梯度改变引起自然对流,使枝晶整体的对称性遭到破坏,上游枝晶尖端生长受到促进,生长速度大于下游,水平方向枝晶尖端生长速度介于上下游之间,二次枝晶臂生长速度、浓度与一次枝晶臂基本相同,能量起伏和结构起伏使枝晶受到的影响更加明显.此外,随着各向异性强度增加,枝晶尺寸变大,生长速度加快,主枝晶臂变细,内部凹陷变明显,尖端变尖锐,二次枝晶臂间距增大.当单晶粒各向异性强度为0.05时,出现明显的“颈缩”现象,多晶粒在各向异性强度为0.03时,出现明显“颈缩”现象.     

TbDyFe合金的定向凝固和取向生长

利用自制的超高温度梯度定向凝固装置,研究了稀土巨磁致伸缩材料Tb0.27Dy0.73Fex(x=1.8,1.95at%)合金在不同凝固条件下的凝固行为。发现Tb0.27Dy0.73Fe1.8合金在不同的凝固条件范围内可以有有序的层状结构、无序的短柱状结构和混合结构,而Tb0.27Dy0.73Fe1.95合金的显微结构始终是层片状结构,在实验条件范围内与凝固条件无关;分析了Tb0.27Dy0.73Fe1.95合金定向凝固条件、晶体生长形貌、晶体择优生长方向间的关系,发现结晶形貌为胞状晶或无侧向分枝的树枝晶时其择优取向为<110>,结晶形貌为发达的树枝晶时其择优生长方向为<112>,而在胞-枝转变区晶体为<110>,<112>,<113>等多种取向的混合,胞枝转变区随温度梯度的提高而减小;Tb0.27Dy0.73Fe1.95合金定向凝固时发生胞枝转变的凝固条件为GL/V值介于(9.60～10.45)×102K·s/mm2之间。     

铁磁材料应力-磁化性能的相关性

针对受外力作用的铁磁材料,应用微磁学理论,从最小能量原理出发,采用拉格朗日乘子法推导了应力作用下的应力-磁化矢量的描述方程,得出应力-磁化率关系表达式。以条形单晶铁为例,编写三维有限元程序,计算得出应力平行和垂直于外磁场情况下单晶铁磁体内部的磁化矢量分布及应力-磁化率关系曲线,计算结果表明在应力作用下磁化矢量发生偏转,受拉时磁化矢量向外磁场方向偏转,磁化增强,磁化率随应力增加而增大;受压时磁化矢量向背离外磁场方向偏转,磁化减弱,磁化率随应力增大而减小;且各向异性磁化率与应力施加方向相关。     

强制对流作用下溶质枝晶生长的CA-LBM模拟

应用一个二维的元胞自动机(cellular automata, CA)-格子玻尔兹曼方法 (lattice Boltzmann method, LBM) 耦合模型,对合金等温凝固过程中溶质枝晶在强制对流作用下的生长规律进行了模拟研究.该耦合模型采用CA方法模拟枝晶生长,同时采用基于分子动理论的LBM模拟枝晶生长过程中的流场和浓度场.应用该模型模拟分析了过冷度和成分等因素对Al-Cu合金在纯扩散和对流作用下单枝晶的生长规律的影响.结果表明,在纯扩散条件下,模拟的枝晶稳态生长尖端速度、半径、Peclet数和过冷度的关系与Lipton-Glicksman-Kurz (LGK)模型的预测结果吻合良好.对流作用下枝晶的生长形貌呈现出了不对称性,枝晶的生长在上游方向得到促进,而在下游方向受到抑制.合金成分和初始过冷度等因素会对枝晶形貌和生长动力学产生影响.     

磁场对过共晶Al-Fe合金中Al3Fe相形态和分布的影响

研究了交流磁场(0.3 T)和直流强磁场(12 T)作用下Al-2.89%Fe合金中初生Al3Fe相的形态与分布的变化.结果表明,Al-2.89%Fe合金在无磁场和交流磁场下凝固时,大部分初生Al3Fe相沉积在试样下部.在交流磁场下凝固时,Al3Fe相变得细碎且向试样中心聚集,呈近金字塔状分布.在强磁场下凝固时,Al3Fe相所受磁力作用和重力作用相平衡,因而在整个试样中均匀分布,且沿着易磁化方向[121]发生定向排列.对磁场的作用机理进行了初步分析.     

Fe_(78)Si_9B_(13)非晶合金的恒导磁性能

研究了普通退火对Fe78Si9B13非晶合金磁性能的影响.实验发现:当合金内有适当数量的-αFe(Si)晶体相析出时,可形成感生磁各向异性,易磁化方向与带面垂直.经470℃×120 min和480℃×60 min退火后合金呈现良好的恒导磁特性.根据剩磁比Br/B800随退火温度和时间变化的规律,讨论了-αFe(Si)晶体相在表面层和基体内的晶化过程对源于磁弹性耦合作用的横向感生磁各向异性的影响:表面层的先期晶化促进横向感生磁各向异性形成;基体内晶体相析出减弱磁弹性耦合作用.     

相场参数对TiAl合金枝晶组织的影响

合金凝固过程中的枝晶形貌对所制备材料的宏观特性具有重要的影响,而相场法有效的将合金材料的微观组织和实际凝固过程结合起来,从而能更加真实地对其过程进行模拟。依据自由能最小原理及热力学定律,建立了Ti-Al合金相场与温度场耦合的模型,用相场法模拟合金在非均匀温度场下的枝晶生长过程和枝晶形貌。对形成的图像进行分析,研究各向异性系数、热扩散系数以及相场与温度场的耦合参数对枝晶生长形貌和生长速度的影响。结果表明,在非均匀温度场中,随着各向异性系数的增大,枝晶生长速率增加,且容易出现二次枝臂。此外,热扩散系数的增大会抑制枝晶生长速率,枝晶主干会变细且二次支臂数量显著减少。而耦合系数的增大会加速枝晶生长速率并对二次枝晶的产生有着较为明显的促进作用。     

Nd-Fe-B包晶合金的定向凝固组织及相选择

对Nd11.76Fe82.36B5.88包晶成分和Nd13.5Fe79.75B6.75过包晶成分合金进行了高梯度定向凝固和激光快速定向凝固实验,研究了Nd-Fe-B合金组织形成及相选择与凝固参量(温度梯度G,生长速度V,合金成分C0)之间的对应关系.针对包晶相为无固溶度的化学计量比结构的Nd-Fe-B合金体系,讨论计算了合金定向凝固过程γ-Fe及包晶T1相的界面温度随生长速率的变化,获得了Nd-Fe-B合金定向凝固相/组织选择图,确定了合金凝固中各相及生长形态转化的条件.Bridgman定向凝固实验中,随着抽拉速率的增加,T1相由平面/小平面向枝晶形貌转变;Nd13.5Fe79.75B6.75合金的激光实验中,凝固速率由4.4~5.0mm/s时,领先析出的组织由γ-Fe枝晶转变为T1相枝晶.实验结果与理论计算给出的相/组织选择图吻合较好.     

Nd-Fe-B 包晶合金的定向凝固组织及相选择

对 Nd11.76Fe82.3B5.88包晶成分和 Nd13.5Fe79.75B6.75过包晶成分合金进行了高梯度定向凝固和激光快速定向凝固实验,研究了 Nd-Fe-B 合金组织形成及相选择与凝固参量(温度梯度 G,生长速度 V,合金成分 C0)之间的对应关系.针对包晶相为无固溶度的化学计量比结构的 Nd-Fe-B 合金体系,讨论计算了合金定向凝固过程γ-Fe及包晶T1相的界面温度随生长速率的变化,获得了 Nd-Fe-B 合金定向凝固相/组织选择图,确定了合金凝固中各相及生长形态转化的条件.Bridgman定向凝固实验中,随着抽拉速率的增加,T1相由平面/小平面向枝晶形貌转变;Nd13.5Fe79.75B6 75合金的激光实验中,凝固速率由4.4～5.0 mm/s时,领先析出的组织由γ-Fe 枝晶转变为 T1 相枝晶.实验结果与理论计算给出的相/组织选择图吻合较好.     

Multi-GPU加速的二元合金定向凝固三维相场模型

基于三维相场模型,使用MPI+CUDA异构协同并行技术,在GPU集群上建立三维合金定向凝固的MultiGPU计算模型,实现了Al-Cu二元合金三维定向凝固的模拟.再现了Al-Cu二元合金三维定向凝固的过程,以及不同取向晶粒间的竞争生长现象.通过与传统CPU串行计算模型相比较,验证了Multi-GPU计算模型的计算效率和加速效果.实现了二元合金定向凝固的加速模拟计算,其加速比最大可达57.7.     

强迫层流环境下多晶粒生长的相场法模拟

将模拟流场所用的Lattice Boltzmann方法(简称LBM)和模拟枝晶生长的相场模型进行耦合,模拟Al-Cu合金等温凝固过程中多晶粒在纯扩散和存在对流情况下枝晶的生长状况.模拟结果显示:在枝晶的生长初期,无论是纯扩散还是存在对流,各晶粒间间距较大,无相互影响,独立生长;纯扩散条件下枝晶呈现明显的对称性,强迫层流作用下,由于对流的存在,上游侧枝晶比下游侧枝晶发达;随着枝晶慢慢长大,各晶粒相互影响,产生竞争生长,导致枝晶生长产生不对称性;流速的大小会影响枝晶的生长形貌,流速越大,枝晶生长越快,非对称性越严重,下游越易产生涡流.