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。     

浇注温度对GH625 合金铸态显微组织的影响

基于Thermo-Calc热力学模拟软件、扫描电镜和能谱仪等实验手段,研究GH625合金铸态试样棒的显微组织,并对比讨论浇注温度对其显微组织的影响规律. GH625合金的铸态显微组织为发达的树枝晶,枝晶间可见δ相与M6C型碳化物伴生析出. 一次枝晶臂间距λ1 和二次枝晶臂间距λ2 均随着浇注温度的升高而增大,而枝晶偏析程度则同时受扩散时间和扩散距离两方面因素的共同作用,综合相互作用导致1420℃浇注试样里Nb元素高度偏析,为枝晶间δ相的大量析出提供有利的浓度条件. 因此,在制定浇注工艺时,需要综合考虑扩散时间和扩散距离的影响程度,选取合适的浇注温度(或者冷却速率).     

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.     

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...     

基于原位观察的H13钢中液析碳化物高温行为研究

使用原位观察方法研究了不同凝固条件H13钢铸锭样品中液析碳化物的高温行为.实验发现连铸锭及电渣锭两种样品在所研究的枝晶间存在明显的合金元素偏析,其中Cr、Mo、V、C的偏析较为明显,液析碳化物存在于凝固枝晶间偏析最严重的区域,成分为V、Mo、Cr、Ti的液析碳化物.连铸锭及电渣锭两种样品分别在1200℃ 及1250℃ 围绕液析碳化物周围出现局部液相,理论计算的局部液相出现温度与实验观察到的接近;随着温度的升高,局部液相范围扩大,与电渣锭相比,加热至相同温度时,连铸锭液析碳化物周围的局部液相范围更大.液析碳化物周围局部液相的出现加快了枝晶间合金元素的扩散,对液析碳化物的高温行为具有重要影响.     

Fe-Cr-Ni-Al合金铸造过程的数值模拟及组织性能

利用Procast软件模拟计算对Fe-Cr-Ni-Al合金的温度场和冷却速率进行分析,通过实验研究各冷却速率对铸态组织、枝晶间距以及显微硬度的影响.结果表明：采用阶梯状铸件能够较好地拟合Fe-Cr-Ni-Al合金铸件的温度场分布以及冷却速率的变化情况.随着冷却速率的增加,奥氏体相占比减小,铁素体相占比增大,过冷度增加使合金组织一次枝晶间距减小,组织中存在σ相,铁素体相区与奥氏体相区显微硬度值随冷却速率增大都呈增高趋势.     

合金元素对GH220合金弯曲晶界的影响

本文对GH220合金弯晶形成机制以及加入W、Mo、C、Ce(微量)等元素的作用进行了初步探讨。试验结果表明:对于GH220合金,慢速缓冷时形成弯晶为γ′机制;快速冷却和采用等温工艺时为碳化物机制。并摸索到上述各元素最佳含量范围,对生产有一定参考价值。     

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.     

镍基粉末高温合金枝晶间亚稳碳化物

对急冷凝固镍基高温合金松散粉末热等静压成型合金中亚稳碳化物及其相间反应进行了研究。随着热处理温度的升高,粉末中合金元素的分布逐渐均匀化,但枝晶间 MC 能在较高的温度下保持稳定,使 Ti 和 Zr 在该处仍有较高含量。原始粉末中枝晶间主要分布着块状和花状的 MC 型碳化物,在预热处理过程中粉末枝晶间块状碳化物分解,发生M23C6和 M6C 的析出反应,而花状碳化物的成分及形貌则保持相对稳定。成型合金残余枝晶间分布的碳化物主要由块状 M6C 和 MC 及花状 MC 组成,形变再结晶可以促进枝晶间碳化物的溶解。     

氩气雾化Rene''''95合金粉末颗粒二次枝晶间距的研究

本文利用光学显微镜定量金相法测量了氩气雾化Rene'95粉末高温合金粉末颗粒的平均二次枝晶间距,应用牛顿冷却定律得出粉末颗粒的冷却速度,并计算了粉末颗粒完全凝固所需要的时间。在此基础上推导出了Rene'95合金粉末颗粒的二次枝晶间距、颗粒直径以及冷却速度和凝固速度、凝固时间之间的关系。d=0.242D~(?),d=10.9V~(?),d=2.47(de/dt)~(-0.492),d=39.28t~(k0·145)。研究结果表明:氩气雾化Rene′95合金粉末颗粒凝固时,满足一般铸造合金时的关系式,即d=av~(?),d=bt~(?),n基本上在1/3～1/2之间。     

镍基粉末高温合金枝晶间亚稳碳化物

对急冷凝固镍基高温合金松散粉末热等静压成型合金中亚稳碳化物及其相间反应进行了研究.随着热处理温度的升高,粉末中合金元素的分布逐渐均匀化,但枝晶间MC能在较高的温度下保持稳定,使Ti和Zr在该处仍有较高含量.原始粉末中枝晶间主要分布着块状和花状的MC型碳化物,在预热处理过程中粉末枝晶间块状碳化物分解,发生M23C6和M6C的析出反应,而花状碳化物的成分及形貌则保持相对稳定.成型合金残余枝晶间分布的碳化物主要由块状M6C和MC及花状MC组成,形变再结晶可以促进枝晶间碳化物的溶解.     

帘线钢凝固过程中夹杂物析出

为了充分了解帘线钢中夹杂物,对钢液凝固过程析出夹杂物进行了分析. 结果发现:Al2O3夹杂物在凝固过程中先析出,且Al2O3夹杂物长大的限制性环节为[Al]在钢液中的扩散;当凝固分数为0.44时SiO2开始析出,且SiO2长大的限制性环节为[O]在钢液中的扩散;析出夹杂物的半径随着冷却强度的增大而减小;当冷却速度为100 K·min-1时,凝固末期析出Al2O3夹杂物的半径为2.5 μm,析出复合Al2O3-SiO2夹杂物的半径为4.7 μm;随着凝固的进行,夹杂物中SiO2含量增加,Al2O3含量下降.     

IF钢凝固过程中Al_2O_3-TiN复合夹杂物的形成机理

以理论分析和实验研究相结合的方式分析了IF钢凝固过程中Al2O3-TiN复合夹杂物的形成机理.结果表明,以凝固分率0.9为界限,钢水凝固过程中Al2O3和TiN先后通过异质形核方式析出并结合形成Al2O3-TiN复合夹杂物;冷却速率越小,复合夹杂物粒径越大;在冷却速率一定时,可作为异质形核核心的夹杂物的粒径越大,凝固过程中析出的复合夹杂物的长大程度越小;复合夹杂物内层Al2O3粒径越小,外层TiN长大程度越明显.     

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.     

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.     

ZA27合金在直流电流作用下的凝固行为

研究了直流电流作用下ZA27合金凝固组织的变化.实验结果表明,随着电流密度的增加枝晶间距逐渐变小,粗大的富Al树枝状枝晶在电场作用下逐渐向球状晶转化,且共晶相逐渐增多.初步认为电场作用造成上述结果的机理是由于电场的施加作用降低了枝晶生长的条件,且焦耳热是导致上述结果的重要因素.     

稀土铈对铸态Mn18Cr18N高氮奥氏体不锈钢热变形行为的影响

通过热压缩试验研究了Mn18Cr18N和Mn18Cr18N+Ce高氮奥氏体不锈钢在1173–1473 K和0.01–1 s–1下的热变形行为。并通过含Ce夹杂物和Ce元素偏析两个方面分析了Ce元素对合金热变形行为的影响机理。结果表明，添加Ce元素后，大尺寸、有棱角、硬且脆的夹杂物（TiN–Al₂O₃、TiN和Al₂O₃）可被变质为细小弥散的含Ce夹杂物（Ce–Al–O–S和TiN–Ce–Al–O–S）。在凝固过程中，含Ce夹杂物可作为非均匀形核点细化铸态晶粒。在热变形过程中，含Ce夹杂物可以抑制位错运动和晶界迁移，诱导动态再结晶（DRX）形核，避免显微裂纹和孔隙的形成和扩展。此外，在凝固过程中，Ce原子在固液界面前沿富集，导致成分过冷并细化二次枝晶。类似地，在热变形过程中，Ce原子倾向于在DRX晶粒的边界处偏析并抑制晶粒的生长。在含Ce夹杂物和Ce元素偏析的协同作用下，虽然合金的热变形抗力和热变形活化能升高，但更容易发生DRX且DRX晶粒尺寸明显细化，还可以缓解热变形开裂问题。最后，测量了样品的显微硬度。结果表明，与铸态试样相比，热变形试样的显微硬度显著提高，并且随着DRX程度的增加，显微硬度不断降低。此外，Ce元素也可以通过影响铸态组织和热变形组织来影响合金的显微硬度。     

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.     

电渣重熔过程冷却强度对含镁H13钢中碳化物的影响

研究电渣重熔过程冷却强度对含镁H13钢凝固组织和碳化物偏析的影响.采用光学显微镜、扫描电镜、透射电镜、X射线衍射仪等分析凝固组织及碳化物的特征.研究发现,钢锭的凝固组织均为马氏体组织、残余奥氏体及一次碳化物.H13钢电渣锭中主要析出的一次碳化物为V8C7、MC、M23 C6及M6C.随着冷却强度增加,电渣锭边部碳化物的尺寸减小且分布更加均匀,但是碳化物的类型不发生变化.电渣重熔过程中冷却强度增加促进钢中镁对夹杂物的变性能力,经过镁变性后生成的MgO· Al2O3为TiN的析出提供形核质点,MgO· Al2 O3和TiN的复合夹杂物能够促进一次碳化物异质形核,从而细化一次碳化物.     

冷却速率对40Cr钢凝固组织及铬元素偏析行为的影响

采用热模拟试验的方法获得不同冷却速率下40Cr钢凝固试样,结合SEM、EDS、ICP-AES及低倍组织检测等手段分析冷却速率对40Cr钢凝固组织及其铬元素偏析行为的影响。结果表明,采用合适的冷却速率,可以获得40Cr钢全等轴晶结构的凝固组织,其铬元素分布较均匀;随着炉管内冷却速率的提高,试样1/2高度处Cr的平均含量有所降低,凝固试样的晶粒尺寸逐渐减小、铬元素显微偏析现象得到有效改善;当炉管内冷却速率由3.83℃/min提高到8.60℃/min时,钢样横断面上凝固组织的平均晶粒面积由8.76mm2减小到2.01mm2、铬元素显微偏析度的最大偏差由0.274降为0.181。