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.     

Ni-Cu合金定向凝固海藻状生长形态的相场法模拟

利用微观组织相场法数值模拟技术,对Ni-Cu二元合金在温度梯度G=20K/cm条件下定向凝固的界面形态演化过程进行模拟仿真.基于均匀网格的有限差分法,采用C语言编制定向凝固晶体生长的相场法数值模拟程序,研究计算参数对凝固组织的影响,探讨定向凝固过程晶体的生长机制.研究结果表明:低的温度梯度条件下,初始平界面一旦失稳,快速形成胞状组织,在随后的演化过程中,侧向分支大量繁殖、尖端分裂,形成海藻状生长形态.因此,低温度梯度下二元合金定向凝固界面形态的转化形式为:平面状向胞状转变,最后转变为海藻状.     

三元合金等温凝固过程的相场法模拟

采用相场与浓度场耦合的相场法,以Fe-C-P合金为例,模拟三元合金等温凝固的生长过程.结果表明,在一定的温度区间里,生长速度是随着温度的降低而减小的,随着温度的降低,二次枝晶生长越发达.模拟结果还表明,二次枝晶之间有大量的溶质富集;各向异性系数的改变会影响二次枝晶的形貌.     

定向凝固包晶合金相和微观组织选择研究进展

综述了定向凝固包晶合金相和微观组织选择的理论模型和实验研究进展,分析相和微观组织的选择规律,同时讨论了对流对凝固微观组织的影响。依据国内外对包晶合金凝固的研究现状,提出进一步研究的方向。     

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.     

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...     

多晶硅凝固界面形态演化过程的相场法模拟分析

采用有限差分法求解小平面晶生长Wheeler相场模型,对多晶硅凝固界面形态演化过程进行相场模拟,详细分析了初始晶核条件、扰动强度和时间步长对界面形态演化的影响。结果表明:在多晶硅凝固过程中,九个晶核初始条件下,固液界面比较平坦,晶核生长空间差异小,易于形成垂直于生长界面的棱角胞晶组织。随着扰动强度的增加,棱角胞晶出现侧向分支,根部缩颈严重甚至出现熔断现象。选择强度为0.01的界面扰动,能够真实再现多晶硅凝固界面形态演化过程。在保证计算结果稳定性条件下,增加时间步长能够提高相场模拟计算效率。     

基于KKS模型二元合金等温凝固过程的相场法模拟

基于KKS模型,采用相场和溶质场两场耦合的方法,对Al-2-mole-Cu合金凝固过程枝晶生长进行了数值模拟.在模拟过程中,采用不同的各项异性系数和初始晶核固液界面溶质浓度梯度.模拟结果表明,在没有扰动的情况下,随着各项异性系数的增大,枝晶出现二次枝晶,且越发达,并伴随着“颈缩”现象,当各项异性值达到足够大时,二次枝晶就会由于凝固潜热的释放而出现熔化“脱落”现象,脱落的二次枝晶将会成为非均质形核的初始晶核.模拟结果还表明,时间步长的增大不是致使模拟枝晶出现分叉的唯一原因,小的各项异性系数也会使枝晶出现分叉现象.     

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.     

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.     

金属Sc对Ti-6Al-4V合金组织演变与性能的影响

采用真空电弧熔炼技术制备了含Sc(质量分数)为0,0.1%,0.3%,0.5%的4种Ti-6Al-4V合金,并利用X射线衍射技术、光学金相显微镜和SHIMADZU HMV硬度计对铸态合金的相组成、等温退火后进行淬火的合金的显微组织和显微硬度进行研究.研究结果表明:在合金的铸态组织中存在大量的类魏氏组织,添加金属Sc减小了魏氏组织的含量与尺寸;经过等温退火及淬火处理后,在合金组织中存在细针状的马氏体组织和少量的类魏氏体组织,同时,随着退火温度的降低,组织中针状马氏体尺寸减小,金属Sc对合金组织起明显的细化作用;在铸态合金中存在的相为Ti3Al,添加金属Sc使α-Ti在低角度的衍射峰强度变弱,在高角度的衍射峰强度变强;添加金属Sc导致Ti-6Al-4V合金片层组织的显微硬度大幅度提高,当Sc含量在0.1%～0.3%时,其显微硬度最适宜;退火态合金的显微硬度比铸态合金的显微硬度提高了很多;金属Sc对α-Ti的固溶强化效果最明显.     

Ti-15-3合金再结晶组织的预测

通过热模拟压缩试验和定量金相法研究了热变形参数对Ti-15-3合金固溶处理过程中再结晶组织的影响规律。随着变形温度的降低、变形程度和变形速率的增大,再结晶晶粒尺寸减小,再结晶体积分数增大。采用人工神经网络的方法建立了再结晶晶粒尺寸和再结晶体积分数的预测模型。预测结果与实测结果吻合较好,表明该方法对Ti-15-3合金热变形固溶处理后的再结晶组织具有良好的预测能力。这对于制定其合理的热加工工艺、保证产品质量具有重要意义。     

注射成形Ti-6Al-4V合金的显微组织和力学性能

采用金属注射成形方法制备Ti-6Al-4V合金坯体,然后利用溶剂脱脂和热脱脂工艺脱除坯中粘结剂,研究了合金在真空烧结和热等静压烧结条件下的显微组织和力学性能.结果表明:真空烧结Ti-6Al-4V合金具有典型的魏氏体组织,其初始的β晶粒粗大,β晶粒内为次生片状α和薄β相片,空隙较多,合金的强度和塑性较低;合金经热等静压处理后,组织明显细化且均匀,空隙很少或几乎没有,从而强度和塑性都有所提高.     

相场方法在组织模拟中的应用

介绍了相场方法在材料组织模拟方面的发展历程、基本概念和理论基础,讨论了单场变量模型在模拟枝晶生长方面的进展和多场变量模型模拟多晶系统演变过程中晶粒消涨的情况。相场法的诸多应用结果表明,虽然相场法是建立在唯像的热力学理论基础之上,但只要确定出物理意义明确的相场变量,这一方法将真实地模拟材料组织的演变过程,成为研究组织演变的最有效手段之一。     

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.     

置氢Ti-6Al-4V合金组织与室温变形行为的相关性

应用压缩实验研究置氢Ti-6Al-4V合金的室温力学行为,采用OM、SEM分析了氢对钛合金组织的影响和断口形貌特征,探讨了置氢钛合金组织和室温变形行为之间的相关性.结果表明:氢的固溶强化作用使置氢Ti-6Al-4V合金硬化效应增加,但适量的氢可以显著降低其压缩屈服强度和弹性模量,且断裂时发生的变形量增加,此时合金组织为á a的双态组织,当合金中产生粗大的a晶粒时,断裂时发生的变形量显著降低;氢的加入促进了合金中斜方马氏体á″的生成;置氢Ti-6Al-4V合金的室温压缩断口为延性沿晶断裂或脆性沿晶断裂和解理型穿晶断裂两种断裂方式的混合断口.