Al-Cu-Zn合金的液態(tài)結(jié)構(gòu)和凝固行為的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、凝固是現(xiàn)代金屬材料最重要的制備路徑之一，各種各樣的微觀結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的材料性質(zhì)可以通過改變材料成分和工藝條件來獲得。近幾十年來，人們對(duì)凝固過程的認(rèn)識(shí)取得了重要的進(jìn)展，然而，凝固過程非常復(fù)雜，目前還沒有完全理解的幾個(gè)相互作用的物理現(xiàn)象仍然決定著合金的凝固行為。本文從熔體結(jié)構(gòu)、分凝行為和微觀偏析三個(gè)方面研究了多元Al基合金的凝固特性。 在鋁合金的熔體結(jié)構(gòu)研究方面，本論文分別使用Lennard-Jones模型、Meadima模型、締合溶液

2、模型和Vogel-Fulcher-Tammann模型研究了Al及Al-Cu合金的熔體結(jié)構(gòu)，描述了金屬熔體中的動(dòng)力學(xué)形核特點(diǎn)。 首先，采用分子動(dòng)力學(xué)方法結(jié)合Lennard-Jones模型研究了純Al熔體在加熱和冷卻過程中的比溫度、比內(nèi)能等熱力學(xué)性質(zhì)，計(jì)算了模型體系的形態(tài)和對(duì)分函數(shù)。研究結(jié)果表明，冷卻過程中，體系形態(tài)從無序逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛行颍瑢?duì)分函數(shù)第一峰峰值從5增大到22，體系發(fā)生相變的比溫度為0.51。加熱過程中，模型體系形態(tài)一直是

3、無序的，對(duì)分函數(shù)第一峰峰值在4至5之間變化。 第二，通過分析Mediema模型和亞規(guī)則溶液模型在描述Al-Cu合金過剩自由能上的差異，提出了一個(gè)新的模型。該模型考慮了液態(tài)結(jié)構(gòu)因素對(duì)二元合金熱力學(xué)描述的影響，經(jīng)過與實(shí)驗(yàn)測(cè)定的溶液過剩自由能比較，證明本文提出的熱力學(xué)模型具有非常好的實(shí)用性，使用此模型可以計(jì)算熔體中存在各種不同成分的有序原子團(tuán)時(shí)對(duì)Al-Cu二元合金熱力學(xué)性質(zhì)的影響。 第三，將Al-Cu熔體中的締合物AlCu3以

4、短程序的形式引入置換溶液模型中，基于Redlich-Kister多項(xiàng)式，提出了一個(gè)直接用于ThermoCalc相圖計(jì)算軟件的締合溶液模型，并用這個(gè)模型改進(jìn)了Al-Cu合金體系中液相的熱力學(xué)描述，計(jì)算了Al-Cu熔體混合焓，固相線和平衡分凝因數(shù)，研究發(fā)現(xiàn)本模型比目前廣泛應(yīng)用的Saunder模型能給出更好的結(jié)果，而且適用于Mg-Sn和In-Sb等其他二元合金體系液相的熱力學(xué)描述。 最后，使用Vogel-Fulcher-Tammann

5、(VFT)模型描述了金屬熔體中晶坯的動(dòng)力學(xué)形成過程和均勻形核特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)測(cè)量的粘度和物質(zhì)傳輸性質(zhì)用于確定α-β分叉溫度和VFT模型參數(shù)，模型可以計(jì)算形核溫度、熔體中臨界晶坯尺寸和液相固相之間的熱容跳，可以分析熔體過熱處理對(duì)形核過程的影響。 在Al-Cu-Zn合金的分凝行為研究方面，本論文實(shí)驗(yàn)測(cè)量了平衡分凝因數(shù)，建立了三元合金分凝因數(shù)的熱力學(xué)模型，研究了快速凝固條件下的溶質(zhì)截留行為。 首先，采用了LMC定向凝固淬火技術(shù)研究成

6、分偏析的方法，研究了Al-1.5Cu-3Zn合金在不同生長(zhǎng)速度下的凝固組織和溶質(zhì)分布，觀察到了胞狀界面、枝晶界面等典型組織，分析了淬火界面附近的固相和液相內(nèi)的溶質(zhì)面分布和線分布，測(cè)量了在胞狀界面凝固組織中Cu和Zn的平衡分凝因數(shù)，發(fā)現(xiàn)溶質(zhì)相互作用可以減小Cu的成分偏析。 其次，提出了計(jì)算多元合金溶質(zhì)分凝行為的熱力學(xué)模型，分析了活度法和濃度法計(jì)算平衡分凝因數(shù)的方法，應(yīng)用提出的模型系統(tǒng)地研究了Al-Cu-Zn合金的平衡分凝因數(shù)。計(jì)算

7、表明，活度法和濃度法的計(jì)算結(jié)果接近，溶質(zhì)Cu和Zn的平衡分凝因數(shù)在凝固溫度范圍內(nèi)隨溫度增加下降10％左右，Zn和Cu任何一種溶質(zhì)元素的濃度增加都會(huì)降低另一種元素的平衡分凝因數(shù)，同時(shí)研究了雜質(zhì)元素對(duì)三元Al-Gu基鋁合金中Cu的平衡分凝因數(shù)的影響。 最后，在連續(xù)生長(zhǎng)模型基礎(chǔ)上，提出了三元合金溶質(zhì)截留過程中的驅(qū)動(dòng)自由能和界面溫度的計(jì)算公式，模擬了Al-Cu-Zn合金單相凝固過程中的溶質(zhì)截留和界面溫度行為。結(jié)果表明，在Al-Cu-Zn

8、合金兩個(gè)不同等深面上，界面移動(dòng)速度增加時(shí)，固相線和液相線向同素異型相界曲線靠近；隨生長(zhǎng)速度的增大，分凝因數(shù)急劇增加，在界面速度接近溶質(zhì)擴(kuò)散速度時(shí)，發(fā)生完全溶質(zhì)截留現(xiàn)象；低速時(shí)，Al-Cu-Zn合金的平衡分凝因數(shù)可用于冷卻速度小于7.1K/s的凝固過程，固相成分一定時(shí)，界面溫度隨生長(zhǎng)速度增加而上升，在溶質(zhì)擴(kuò)散速度vD處達(dá)到極值后界面溫度下降，但液相成分一定時(shí)，界面溫度隨生長(zhǎng)速度增加而下降。 在Al-Cu-Zn合金的微觀偏析研究方面

9、，本文分別使用熱力學(xué)計(jì)算相圖和實(shí)驗(yàn)相圖分析了Al-Cu-Zn合金的凝固路徑，并和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，建立了枝晶凝固過程溶質(zhì)再分配數(shù)值模型，研究了Al-Cu-Zn合金凝固時(shí)的固相擴(kuò)散對(duì)溶質(zhì)再分配的影響。 首先，應(yīng)用相圖計(jì)算方法、簡(jiǎn)單Scheil方程和實(shí)驗(yàn)比較研究了Al-Cu-Zn合金單相凝固過程的凝固路徑和微觀偏析。相圖計(jì)算耦合Scheil模型的計(jì)算結(jié)果顯示，Al-Cu-Zn合金單相凝固結(jié)束點(diǎn)與凝固初始點(diǎn)同步變化，溶質(zhì)含量和溶質(zhì)分

10、凝因數(shù)隨凝固過程的進(jìn)行不斷增加。在熱力學(xué)計(jì)算出合金的分凝因數(shù)的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)單Scheil方程可以計(jì)算初生相含量，從不同溶質(zhì)得到的計(jì)算結(jié)果是自洽的，并和相圖計(jì)算耦合Scheil模型的預(yù)測(cè)值一致。實(shí)驗(yàn)測(cè)定了不同成分鋁合金的共晶含量和枝晶間距，比較模型的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型結(jié)果基本一致。 其次，使用DAT和LMC定向凝固淬火技術(shù)分別確定了Al-Cu-Zn合金富鋁角的液相面和固液界面溶質(zhì)分凝因數(shù)?；谝痪S平板模型的枝

11、晶幾何形狀描述，使用數(shù)值模型計(jì)算了Al-1.5Cu-3Zn合金凝固過程中的液相濃度和平衡溫度，發(fā)現(xiàn)在平衡凝固條件下，液相在α相區(qū)內(nèi)結(jié)束凝固；Scheil非平衡凝固條件下的凝固過程在單變量線上結(jié)束，樣品中主晶相的含量為97.4％，非平衡共晶含量為2.6％。同時(shí)，分析了液相混合條件對(duì)凝固路徑的影響。 最后，提出了固熔體合金在枝晶凝固過程中的溶質(zhì)再分配模型，模型由擴(kuò)散微分方程和溶質(zhì)守恒方程組成。使用Crank-Nicholson有限差