喷射沉积Si-Al合金的数值模拟结果与分析

采用热辐射修正，模拟了喷射沉积Si-Al合金的凝固过程，研究了熔滴的速度、热交换作用系数、温度、熔滴冷却速度及固相分数与沉积距离的关系，讨论了辐射相修正前后熔滴的温度和固相分数的变化以及雾化压力和沉积距离对固相分数的影响．     

多层喷射沉积耐热铝合金管坯热流分析(Ⅰ)--雾化过程热流分析

建立了多层喷射沉积制备管坯的雾化过程热流模型，并对耐热铝合金熔滴在雾化飞行过程中与雾化气流的动能和热能交换进行了计算和分析．计算结果表明：①小直径熔滴在飞行过程中的平均冷却速度较大，其凝固可以在较短时间内完成；②不同直径熔滴飞行过程中的平均冷却速度均随飞行距离的增加而减小；③在0～0．2m的雾化距离内，直径为10～220μm的耐热铝合金熔滴平均冷却速度可以达到10^4K／s以上．     

一种表征紧耦合气雾化中熔滴冷却速率的新方法

通过分析熔体破碎模式和非晶态颗粒的形成机制,提出一种表征紧耦合气雾化过程中熔滴冷却速率的新方法。结果表明:在一定的工艺条件下,紧耦合气雾化存在多种破碎模式,熔滴的冷却速率因直径、雾化位置的差异,相同直径熔滴经历结晶和非晶化2种不同冷却行为;依据Al基合金粉末的粒度分布和微观结构,结合熔体的雾化过程及冷却模式,确定熔滴冷却速率的上、下限;实验得出熔滴的冷却速率为104～108 K/s,Al-Ni-Y合金的非晶化临界冷却速率为105 K/s,能形成非晶态的熔滴最大直径为25μm左右,实验结果与理论分析结果较吻合,比较客观地反映紧耦合气雾化的复杂过程。     

远场来流作用下纯熔体液固平直界面的稳定性分析

利用渐近分析方法研究在小的远场来流扰动作用下纯熔体内具有液固平直界面的凝固过程的稳定性,导出了液固界面的扰动振幅变化率与波数的色散关系,以此为基础给出了具有液固平直界面的凝固过程的稳定性判据,揭示了金属凝固过程中液固平直界面转变为胞晶界面的内在机理.     

定向凝固固-液界面温度场数学模型

作者在广泛研究国内外定向凝固温度分布数学模型的基础上,从温度和时间,温度和凝固距离的物理概念出发,运用近代凝固理论和数学方法,建立了定向凝固固-液界面温度场的偏微分方程,并严格的求解,获得了固-液界面温度场的数学模型,通过此数学模型可以求出一系列的凝固热参数,即温度梯度G,凝固速率R,冷却速态V,固-液界面特征温度T_c。     

低速大熔滴扁平化过程的温度变化

为了便于研究喷涂过程中熔滴粒子的碰撞扁平行为,根据雷诺数力学相似性准则,采用低速大熔滴撞击基体来模拟粒子的碰撞扁平行为.设计一个基于快速热电偶的温度采集装置,分别对Sn-Pb,Zn和Zn-Al熔滴与基体碰撞扁平,以及冷却凝固过程的温度变化进行检测与分析.研究表明,一定速度的熔滴粒子撞击基体后,会以粒子轴为中心,在基体表面向四周任意方向发生横向铺散流动.其温度曲线是先急剧升高到峰值,然后快速下降,并且随着时间的增加,下降速率开始慢慢减小;由于Zn-Al熔滴的潜热值最大,其冷却凝固的时间相对于Sn-Pb,Zn熔滴的冷却凝固时间更长.     

金属沉积成形流固耦合工艺参数

为了研究金属沉积成形中流固耦合过程工艺参数,建立了VOF理论模型,利用该模型对整个熔滴沉积流固耦合过程进行数值模拟.通过变换相关参数,分析了熔滴滴落及在基板壁面上的铺展状态,研究了不同熔滴直径、碰撞速度以及基板温度对变形过程的影响.结果表明:熔滴在滴落过程中,温度由外层向内部逐渐降低,凝固层加大,而熔滴内部中心处温度基本不变;撞击基板后,熔滴沿着半径向外扩散,水平半径逐渐增大,高度逐渐减小;不同的基板温度所对应熔滴的凝固时间不同,而基板温度越低,熔滴凝固越快;不同直径的液滴在撞击经过预热的基板后,因金属熔滴凝固,体积分数随沉积时间延长而减小,但对铺展时间有影响.     

热型连铸工艺凝固过程的数值模拟

采用直接差分的方法对热型连铸工艺凝固过程的稳定温度场进行了模拟,绘制了热型连铸工艺凝固过程的温度曲线,分析了铸型出口温度、冷却条件、连铸速度和型内金属液温度对凝固温度曲线的影响．铸型出口温度、冷却条件、连铸速度依次为影响液固界面的主要因素,型内金属液温度对液固界面的影响很小．     

紧耦合气雾化制备Al基非晶合金粉末

开展了采用紧耦合气雾化方法制备Al基合金粉末的实验和理论研究.利用X射线衍射仪、差热分析仪、扫描电镜和透射电镜分析了粉末的表面形貌、显微组织和结构特征,根据气雾化过程中熔滴的破碎模式和冷却行为确定了Al基合金的非晶化临界冷却速率及相应粉末粒径.结果表明:气雾化粉末中存在部分非晶粉末,非晶粉末的粒径小于26μm;Al基合金的非晶化临界冷却速率大致为106K.s-1;雾化中熔体的破碎和冷却是两个相互耦合(矛盾)的过程,快速冷却(大于104K.s-1)极大地阻碍熔体的充分雾化,同时熔滴的破碎模式对其冷却行为具有显著的影响.目前紧耦合气雾化技术还只能制得非晶/晶态混合的Al基合金粉末.     

过冷纯熔体中晶体生长平界面的稳定性分析

具有匀速运动平直界面的一维凝固系统,一经扰动其界面将不再为平面。Mullins-Sekerka在假定扰动波长远远小于热扩散长度与液固界面满足局部平衡条件的基础上,推出了M-S色散关系。在界面上也存在着动力学的作用,即界面的稳定性也依赖于动力过冷。文章在界面上考虑动力学影响,应用渐近分析理论继续分析过冷纯熔体液固界面的稳定性。结果表明,非快速凝固系统的液固界面不会绝对稳定。     

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。     

镍钛形状记忆合金线坯连续定向凝固温度场的数值模拟

连续定向凝固过程中结晶器的温度分布对固-液界面位置和形状具有重要影响.在建立三维物理模型以及确定材料热物性参数、边界条件与冷却水对流换热系数计算方法的基础上,采用ANSYS有限元软件对不同参数组合条件下镍钛形状记忆合金线坯连续定向凝固的稳态温度场进行了数值模拟.研究结果表明,在所给定的模型及各种参数条件下,镍钛形状记忆合金在结晶器内可以完成凝固过程,且固-液界面呈平直状,具备了进行连续定向凝固制备的基本条件.     

熔体流动对定向凝固铝合金的溶质分布及组织的影响

本文研究了熔体的流动对溶质分布及组织形貌所起的作用：结果表明：流动无论 对溶质的偏析和凝固组织的形貌都发生重大影响．     

Macrostructure and properties of thin walled copper tubes prepared by the downward continuous unidirectional solidification method

The macrostructure and properties of the thin walled copper tube prepared by the downward continuous unidirectional solidification (DCUS) method were studied. The result shows that the macrostructure is closely related to the solid-liquid interface profile, which is influenced by the distance between the cooling water location and the solidification front. The mechanical properties of the thin walled copper tube prepared by the DCUS method are near those of the normal cast copper, and it has good relative density, electrical conductivity, and elongation, which are not greatly affected by casting speed. The thin walled copper tube prepared by the DCUS method also has good processing properties that can be taken to further drawing procedures directly without an intermediate process, and obtains good mechanical properties with the total processing rate of 89.8%.     

相场法模拟潜热的释放对多元合金凝固过程的影响

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,对等温和非等温条件下的凝固过程进行对比分析.结果表明,在同等凝固时间下,非等温时的固相率、尖端生长速度、溶质偏析比小于等温情况时;在溶质富集区,等温情况下比非等温情况下表现出较明显的溶质梯度;在枝晶生长过程中,固液界面处的温度较高,最高温度值先迅速增加,后呈波动性的缓慢增加.     

Lateral growth rate of δ phase during solidification of Fe-0.15wt%C-0.8wt%Mn steel

Taking Fe-0.15wt%C-0.8wt%Mn steel as the research object, in situ observations of the δ phase growth process during solidification were conducted by using a high-temperature confocal scanning laser microscope (HTCSLM). The effects of the solid/liquid (S/L) interface's shape, temperature, and curvature radius on the lateral growth rate of δ phase were investigated in detail, and the relational expression among the lateral growth rate of δ phase, temperature, and curvature radius of column-shaped δ phase was deduced for the carbon steel during solidification. The results indicate the growth rate of the concave-shaped S/L interface is larger than that of the convex-shaped S/L interface during the beginning growth of δ phase, but these two kinds of growth rates gradually approach with proceeding in solidification. The calculated lateral growth rate of δ phase is consistent with the experimental result at a cooling rate of 0.045℃/s.     

电脉冲处理对Sn-15%Pb合金凝固组织中枝晶形态的影响

研究了电脉冲处理对Sn-15%Pb合金凝固组织的影响.通过对Sn-15%Pb合金熔体施加电脉冲处理,其凝固组织发生了由原始的树枝晶向球状组织的转化,同时晶粒发生明显细化.分析认为,由于电脉冲处理作用,合金熔体结构发生了改变,使熔体中Pb的活度提高,进而引起溶质平衡分配系数的变化,导致凝固前沿的溶质富集减轻,溶质分布情况发生改变,促使树枝晶向球状组织转化,并且使凝固组织发生细化.     

铜单晶铸过程中固液界面位置和形状的数值分析

为了准确地控制工艺参数,获得表面光洁、高质量的连铸铜单晶,采用数值分析方法研究铜单晶连铸时固液界面的位置和形状.发现铸型温度(TM)、连铸速度(v)、冷却位置(L)和熔体温度(TL)影响固液界面的位置和形状,并且铜单晶连铸时固液界面向熔体呈凸出形状.当固液界面位于铸型内距出口端2～3mm时,可获得表面光洁、晶体取向度小于10°的连铸铜单晶.为了获得高质量的单晶,固-液界面面必须平滑,甚至是平界面.计算结果与实验结果吻合很好,可用数值分析方法确定连铸铜单晶的工艺参数,为铜单晶连铸提供理论依据.     

小雷诺数远场来流对二元系定向凝固的影响

利用正则摄动方法研究了在小雷诺数远场来流作用下二元系定向凝固问题,并考虑了杂质浓度对温度场及固液界面的影响.结果表明,在小雷诺数无穷远来流影响下,液、固相温度在界面附近均出现了温度起伏,浓度与温度在沿与边界垂直的方向上呈现振荡和指数型的衰减.     

The liquid phase separation of Bi-Ga hypermonotectic alloy under acoustic levitation condition

Containerless treatment of Bi-58.5at%Ga hypermonotecUc alloy is successfully performed with acoustic levitation technique. Under acoustic levitation condition, the second phase （Ga） distributes almost homogeneously in solidification sample, opposite to macrosegregation in solidification sample under conventional condition. Stokes motion of the second liquid droplet （Ga） is significantly restrained under acoustic levitation condition. The analyses indicate that the melt vibration in the gravity direction forced by acoustic field can induce steady flow around the second liquid droplet, which influences droplet shape during its moving upward and consequently restrains Stokes motion velocity of the second liquid droplet.