二元合金凝固微观模型的研究现状

基于对二元合金凝固过程宏观传输耦合数学模型中非平衡凝固路径和局部液相溶质浓度的确定,详细讨论了两种不同类型的微观凝固数学模型,即凝固动力学模型和凝固微观偏析模型,对其中的确定性凝固动力学模型和微观偏析半解析模型的研究现状分别进行了回顾,分别讨论了凝固动力学模型和微观偏析模型的主要影响因素,即过冷度和形核率以及固相反向扩散和枝晶结构粗化,对凝固微观模型在合金凝固过程耦合数值模拟中的应用价值及其未来的研究方向进行了阐述.     

连铸坯凝固过程平面枝晶微观偏析模拟研究

为解决连铸钢坯偏析问题,基于菲克第二定律和质量守恒定律,建立了一维平面枝晶生长凝固偏析数值模型。应用有限容积法离散传质方程,离散后的方程用VB编程求解,研究X70管线钢凝固过程中在二次枝晶间距范围内的C,Si,Mn,S,P各元素质量分数分布随凝固进程和冷却速率的变化规律。结果表明:固相率的变化对合金元素在二次枝晶间偏析影响较大,冷却速率对其影响较小;随着固相率的增加,各合金元素的固相成分增加较少,液相成分质量分数快速增加;S和P元素在固相中的分布较均匀,S凝固终了的偏析指数最高,C偏析指数最小。在实际生产中应适当控制S和P元素的含量。     

含锡不锈钢溶质偏析模型计算

结合微观偏析模型及Thermo-calc软件,考虑了Mn S的析出,用微观偏析理论研究了含锡铁素体不锈钢中溶质的偏析行为.主要讨论了铁素体不锈钢中C,Mn,S,P,Cr在凝固过程中的偏析程度,研究了溶质偏析对零强度温度(ZST)、零塑形温度(ZDT)的影响规律.分析了锡在铁素体钢和低碳钢中偏析行为的差异,解释了低碳钢的热加工塑形凹槽现象,理论分析了微量元素对热塑性的影响.结果表明,Sn的凝固偏析比远大于除P,S外的其他元素,Mn对S元素凝固偏析有抑制作用.锡为易偏析元素,其在奥氏体相中的凝固偏析比大于在铁素体相中的偏析比.     

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.     

多元合金多晶粒枝晶生长的相场模型

基于多元合金多晶粒生长的等温相场模型,耦合温度场,提出一个新的相场模型.利用这个模型,以Al-Cu-Mg三元合金为例模拟多元合金凝固过程中多个晶粒的枝晶生长过程.结果表明,这个模型的计算结果展现了多个晶粒枝晶的竞争生长;在模拟中可以展现合金凝固中潜热的释放;能较真实地再现凝固过程中的枝晶生长过程.     

碳钢连铸凝固过程的微观模拟

通过一种简单的数学模型研究了连铸坯凝固过程中枝晶生长的重要微观结构参数.结合中碳钢连铸性能计算出凝固过程中枝晶生长的尖端半径、枝晶生长速率、二次枝晶臂间距等枝晶相关参数,并研究了拉速对上述微观结构参数的影响.分析了碳、硅、锰、磷和硫等重要元素的微观偏析程度随凝固进程与坯壳生长的变化规律.与前人经验模型的对比与验证表明本文模型预测结果合理.     

多元合金中溶质浓度对二次枝晶臂间距的影响

在前人提出的二次枝晶臂等温粗化的四种物理模型的基础上建立了多元合金二次枝晶臂等温粗化动力学数学模型。将这些数学模型运用于Al-Cu-Fe、Al-Cu1-Si、Al-Cu-Mn三元合金中发现它们与日本学者森信幸等人所作的实验结果相一致,说明它们是可信的。实验与理论分析表明,在多元合金凝固过程中局部凝固时间相同的条件下,溶质浓度的增加有利于二次枝晶臂的细化。     

多元合金等温凝固相场法模拟

利用由二元合金相场模型扩展获得的多元合金相场模型,以Fe-C-P合金为例,研究界面厚度对枝晶生长的影响.结果表明,随着界面厚度的减小,枝晶生长速度增大,界面推进速度提高,主枝晶臂变细,二次枝晶臂越发达,固液界面溶质扩散层的厚度减小,界面前沿溶质分配系数增大,而界面前沿溶质偏析程度也相应增大;相反,随着界面厚度的增加枝晶尖端生长速度逐渐减小,并呈收敛的趋势.     

Si促进C、Mn枝晶偏析的价电子理论分析

利用固体与分子经验电子理论建立了团球γ-(Fe,Mn)3C共晶体增强奥氏体γ钢基自生复合材料(EAMC)初生奥氏体枝晶的价电子结构.在提出晶胞对溶质原子的"键约束因子"δi概念的基础上,结合元素平衡分配系数k0的统计物理定义,得出δi愈大,原子固相位垒QS愈大,则原子愈容易由固液界面向液相扩散,k0增大;反之,k0减小的观点.据此解释了Si促进EAMC凝固过程中C、Mn元素(k0<1)枝晶偏析的原因:Si的加入使EAMC初生奥氏体枝晶中δC、δMn较小的γ-Fe-C-Si与γ-Fe-C-Mn-Si晶胞的相对数量增加,δC、δMn较大的γ-Fe-C-Mn晶胞减少,降低了C、Mn元素的QS.     

稀土元素对耐候钢元素偏析的影响

应用金属原位统计分布分析技术(OPA)研究了耐候钢铸锭中C、P、S、Cu、Si和Mn的宏观偏析规律,并分析了稀土元素对耐候钢中元素偏析的影响.结果表明,在30%～40%等轴晶率,20℃过热度下,元素C、S、P和Cu能产生严重的宏观偏析,C、S呈中心正偏析,P、Cu呈中心负偏析并伴随有反偏析,而Si和Mn的分布较为均匀.各个元素中心偏析位置完全相同.稀土元素在钢中的固溶度为10-5～10-4,固溶稀土元素可以细化枝晶,提高等轴晶率.钢中加入质量分数0.38%～0.55%的稀土元素可以有效改善C、S、P和Cu的宏观偏析.     

合金凝固过程枝晶生长的界面前沿跟踪法模拟

为预测铝合金铸件凝固时的微观组织演化,本文采用当量法对KGT模型进行扩展,建立了适应多元合金的界面前沿跟踪模型?应用该模型对Al-6Si-4Cu合金凝固过程的微观组织的演化过程进行了模拟?实验结果表明,所建立的模型能够再现凝固过程中自由枝晶生长形态?液相中的溶质分布以及多晶生长时枝晶的竞争生长过程?该模型可以实时地跟踪凝固界面前沿的位置,节省计算时间,提高效率?     

稀土元素铈对钢的凝固和枝晶偏析的影响

本文用热分析法,金相法和电子探针微区分析考祭了铈对35GrNi3MoV和20GrMoV二种低合金钢的凝固和枝晶偏析的影响。实验结果表明:稀土元素铈加入钢中,减轻了钢液—固转变的过冷,推迟钢的包晶反应进行;细化初次晶粒,细化等轴晶的二次枝晶臂;并在不同程度上减轻了Cr、Mo、V、Mn、Si、Ni等元素的枝晶偏析。     

430不锈钢凝固显微组织模拟的3D CAFE模型

在同时考虑传热、流动和溶质扩散基础上建立了预测铁素体不锈钢多元合金凝固组织的3D CAFE模型,揭示了430不锈钢凝固过程中温度、固相率及晶粒形貌的变化规律.模型中采用高斯分布描述形核密度与过冷度的关系,应用KGT模型描述枝晶的生长过程.根据Fe--C--17%Cr平衡相图确定了430不锈钢的凝固路径,在考虑凝固收缩的基础上预测了铸锭的疏松和缩孔分布.组织模拟结果与实际铸锭基本一致,二者的温度变化和组织结构特征也基本吻合.     

深过冷Fe-30%Co合金的组织演化

采用熔融玻璃净化与循环过热相结合的方法，使原子分数Fe-30%Co合金获得了高达457K的大过冷度.系统考察了合金凝固组织随过冷度的演化规律.发现合金的凝固组织随过冷度的增大存在两次细化和一次粗化过程, 即在小过冷度范围内粗大树枝晶向粒状晶的转变和中等过冷度下局域定向枝晶的细化，而在大过冷度范围内随着亚稳枝晶核数目的增加,存在一个明显晶粒粗化的过程.     

垂直连铸凝固过程的数值模拟研究

采用基于Eulerian-Eulerian方法和合金凝固理论的液相-柱状晶-等轴晶三相凝固模型，对立式连铸工艺中结晶器内的凝固过程进行了研究.对比焓-多孔介质凝固模型，除热溶质浮升力导致的熔体流动，该三相凝固模型还考虑了柱状晶组织的生长、等轴晶组织的形成和演变以及游离等轴晶粒的沉浮，揭示了等轴晶沉降漂移作用对宏观溶质传输及凝固组织分布的影响.模拟结果显示铸坯中心处由等轴晶粒沉积形成的富等轴晶区存在溶质负偏析，紧邻该负偏析区域存在带状偏析区域.随着钢液过热度增加，等轴晶分布减少，中心处宏观偏析加重.     

60Si2Mn半固态非枝晶组织特征与触变性能

利用自制高熔点半固态试样制备装置,对60Si2Mn半固态试样非枝晶组织以及影响因素进行了试验研究.结果表明:60Si2Mn半固态显微组织结构的特点为近球形先析出相均匀分布于残余液相.搅拌工艺制度、搅拌功率与搅拌时间对凝固初生相形态影响显著.采取降温搅拌方式,较大搅拌功率和搅拌时间,初生组织得到了充分的细化和均匀的球化.60Si2Mn非枝晶组织形态是影响剪切变稀触变性能的主要因素.     

700℃超超临界锅炉材料617B合金铸态组织及均匀化工艺

利用光学显微镜、扫描电镜和能谱分析对采用真空感应熔炼和保护气氛电渣重熔双联工艺生产的617B合金电渣锭进行组织分析、析出相和元素偏析情况研究.依据残余偏析指数模型通过Dictra热力学软件计算提出七种不同的均匀化制度,并结合均匀化后的组织分析和热模拟压缩试验,确定了617B合金的最终均匀化制度.结果表明:经双联工艺生产的617B合金电渣锭中存在枝晶和元素偏析,其中Mo和Ti是主要的偏析元素;电渣锭组织的晶内存在较多的块状碳化物,表现为多种碳化物共生生长.经过1210℃保温48h均匀化处理后,枝晶和元素偏析基本消除,晶内的块状碳化物部分溶解,且均匀化后的合金表现出良好的塑性.     

冷却速度对Waspaloy合金凝固过程中偏析和液体密度的影响

通过不同冷速下的重熔凝固实验,利用扫描电镜和能谱仪系统研究了冷速变化对Waspaloy合金凝固过程偏析行为和液体密度的影响.结果表明:随着冷速的增大,Waspaloy合金中元素的偏析会减小,凝固过程中偏析最严重的是富集于枝晶间的正偏析元素Ti;元素偏析导致剩余液体的密度发生变化,而且液体密度基本上呈现反转趋势,当凝固温度到1300℃时,出现最大的密度反转.     

相场法模拟定向凝固微观组织演化研究进展

定向凝固是一种新型的铸造成型技术,能够很好地呈现出凝固过程中界面形态的演化过程,而相场法在如今微观组织数值模拟领域中是最具有优势的一种研究方法.介绍了相场法数值模拟的基本原理,阐述了国内外学者对二元或多元合金在受流场、溶质间相互作用和各向异性、过冷等因素条件影响下自由枝晶和小晶面枝晶的相场法模拟的研究进展,说明了采用相场法耦合溶质场和计算相图等方法在其他微观组织中的应用,并且指出了相场法在模拟定向凝固微观组织领域中所存在的不足之处以及未来的发展趋势.     

含Hf镍基粉末高温合金快速凝固粉末颗粒特性

采用扫描电镜、透射电镜及其附带的能谱仪和碳复型萃取技术等多种手段研究了不同Hf含量的FGH96合金粉末颗粒显微组织、枝晶间合金元素偏析和析出相.发现Hf含量可以改变粉末颗粒内部树枝晶、胞状长大晶和微晶凝固组织的比例,粉末的快速凝固组织形态主要取决于冷却速率和固液界面前沿温度梯度与长大速度的比值.不同Hf含量的FGH96合金粉末颗粒中,Nb、Ti、Zr和Al均富集于枝晶间,Co、Cr、W和Ni均富集于枝晶轴.当Hf质量分数为0.3%时,Ti、Nb、Zr、Hf等强碳化物形成元素的枝晶偏析程度最小.在快速凝固粉末颗粒中,Hf对氧含量比碳含量更敏感,优先形成更稳定的氧化物HfO2.