基于Thermo-Calc熱力學(xué)計算Al-Cu共晶合金微觀組織模擬及實驗驗證.pdf

1、Al-Cu共晶合金廣泛應(yīng)用于航空航天、艦船等軍事工業(yè)，以及汽車、建材等民用工業(yè)，是本世紀發(fā)展最快和使用量最多的金屬材料之一。該合金典型的特征是在共晶溫度附近從液相 L中直接生成兩種固相，即Lαβ→+。合金凝固研究的關(guān)鍵就在于控制其最終凝固組織，包括晶粒形態(tài)，晶粒度，微觀偏析和內(nèi)部相組成等。
　　當(dāng)前的相場模型，由于真實合金的自由能數(shù)據(jù)與相圖數(shù)據(jù)很難精確得到，主要是針對簡單溶液模型的合金。本文應(yīng)用Thermo-Calc商業(yè)化軟件計算

2、 Al-Cu合金在溫度(791-841)K，成分(0-35)Cu(at.％)范圍內(nèi)的α相、θ相及液相 L的自由能數(shù)據(jù)與相圖數(shù)據(jù)，并且應(yīng)用亞規(guī)則溶液模型建立計算范圍內(nèi)Al-Cu合金各相連續(xù)自由能關(guān)系式。同時，把Thermo-Calc計算自由能數(shù)據(jù)引入相場與濃度場控制方程。采用KKS模型中基于合金原始相圖的體系自由能密度構(gòu)造方法，和WBM模型中不區(qū)分界面點的固液相成分來減少計算量的處理，建立能對各種合金熔體液固相變微觀組織演化進行模擬的KK

3、S改進相場模型。
　　用改進的相場模型計算了Al-Cu合金在不同狀態(tài)下的等軸晶微觀組織。研究表明隨著過冷度的增加，等軸晶生長速度也逐漸增大，等軸晶生長形貌逐漸由不發(fā)達二次枝晶等軸晶→發(fā)達二次枝晶等軸晶→“正方形”等軸晶→粒狀等軸晶轉(zhuǎn)變。微觀偏析變化存在一個臨界溫度，高于此溫度的微觀偏析隨溫度的降低偏析程度逐漸加大，而低于此溫度時微觀偏析迅速降低，并且隨著溫度的降低逐漸接近于1。在非等溫等軸晶生長模擬中，二次枝晶生長沒有等溫生長發(fā)達

4、，枝晶間高熔點液相增多，并且可以看出非等溫模擬主枝晶干較等溫模擬明顯變細。此外，通過引入取向場建立適用于多晶粒形核與生長模型，計算不同條件下Al-Cu合金多晶粒的形核與長大，研究了多晶粒生長的晶粒碰撞、晶粒度和微觀偏析等。通過小各向異性多晶粒形核與生長過程，顯示晶粒碰撞后兩晶粒之間的晶界近乎直線，最終凝固組織為近似多邊形。
　　模擬了Al-4.5Cu(at.%)合金在快速Bridgman定向凝固條件下，發(fā)生液固相變過程的界面形態(tài)和

5、微觀結(jié)構(gòu)的動態(tài)演化。表明，當(dāng)生長速度低于維持高速平界面的絕對穩(wěn)定速度時，隨著生長速度的增大，存在胞狀樹枝晶向細胞晶的微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，固液界面處溶質(zhì)富集程度逐漸減小，溶質(zhì)分配系數(shù)增大且不斷向1逼近；當(dāng)生長速度達到該絕對穩(wěn)定速度時，初始平界面輕微失穩(wěn)后將再次恢復(fù)為平界面，界面處出現(xiàn)溶質(zhì)的完全截流，形成接近無偏析結(jié)構(gòu)。在控制熱流定向凝固中，隨著邊界熱流的增加，凝固組織形貌發(fā)生很大變化，從樹枝晶→樹枝晶與柱狀晶并存→柱狀晶→細柱狀晶的轉(zhuǎn)變。

6、>　　對 Nestler多相場模型進行修正，引入各相自由能數(shù)據(jù)，建立實用性比較強的多相場微觀組織模型。研究共晶條件下均勻?qū)悠€(wěn)定生長和不同位置切面溶質(zhì)分布。當(dāng)初始層片α-Al相和θ-Al2Cu相初始層片不均勻時會出現(xiàn)振蕩生長。在共晶相生長過程，如果初始層片間距如果不合理，將會發(fā)生共晶層片的形核與湮滅及間距再調(diào)整，在模擬其組織演化過程的同時，還詳細分析了其形成機理。此外，亞共晶成分的Al-Cu合金共晶定向組織進行了模擬計算與分析。