多元多相合金宏微觀凝固傳輸數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、凝固過程中的宏微觀傳輸行為對鑄件凝固后的組織、成分及性能起著至關(guān)重要的作用。對合金(尤其是多元多相合金)凝固過程的宏微觀傳輸現(xiàn)象進(jìn)行模型化，通過有效地預(yù)測并控制凝固過程中的宏微觀傳輸行為，實(shí)現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化并控制鑄件的性能具有重要的意義，也是鑄造工作者長期致力研究的課題。
　　本文首先基于Thermo-Calc軟件，將相圖計(jì)算引入合金宏微觀凝固傳輸模擬中來，實(shí)現(xiàn)了相圖計(jì)算與凝固傳輸模擬之間的耦合，為本文后續(xù)的多元合金的凝固傳輸模擬解決了

2、熱力學(xué)數(shù)據(jù)的獲取問題。以二元Al-4.5Cu(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)與Fe-0.55C合金變截面類葉片鑄件的宏微觀凝固傳輸為例，證實(shí)了本文凝固傳輸模擬耦合相圖計(jì)算的可靠性。
　　通過對合金凝固過程宏微觀溶質(zhì)傳輸行為的模型化，將固相反擴(kuò)散統(tǒng)一參數(shù)Ф擴(kuò)展到三元合金，建立了三元共晶合金枝晶凝固微觀偏析的解析模型與數(shù)值微分模型，并分別針對兩種模型提出了可以計(jì)算三元?jiǎng)?共晶類合金體系凝固路徑及微觀偏析算法?；赥hermo-Calc軟件及相關(guān)的數(shù)

3、據(jù)庫編寫了能夠計(jì)算三元?jiǎng)?共晶類合金凝固路徑的FORTRAN程序。對不同固相反擴(kuò)散參數(shù)及凝固速率等條件下Fe-V-Cr、Al-Cu-Si、Al-Cu-Mg及Al-Si-Mg等三元合金系凝固路徑實(shí)例計(jì)算表明，本文建立的模型及Thermo-Calc耦合算法是正確有效的。
　　選取不同成分的Al-Cu-Si和Al-Si-Mg三元合金，進(jìn)行了不同冷速條件下的凝固實(shí)驗(yàn)，獲取了合金的凝固速率、二次枝晶間距等參數(shù)，并確定了各合金的凝固路徑。對實(shí)

4、驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)：冷卻速率對凝固組織影響明顯，本文實(shí)驗(yàn)條件下隨著冷卻速率的提高，二次枝晶間距降低，非平衡共晶相的含量遞增。通過實(shí)驗(yàn)條件下的凝固路徑計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比，證實(shí)了本文提出的模型及算法的準(zhǔn)確性。對不同成分的三元Al-Cu-Si合金的系統(tǒng)研究表明：靠近三元共晶點(diǎn)和二元共晶溝的成分，凝固速率對凝固路徑的影響并不明顯，而遠(yuǎn)離共晶點(diǎn)的成分受凝固速率的影響較大。另外，對實(shí)驗(yàn)所獲得的不同冷速的鋁合金鑄錠進(jìn)行了均勻化熱處理實(shí)驗(yàn)，研究了熱擴(kuò)

5、散過程對不同冷速凝固組織的影響。發(fā)現(xiàn)均勻化處理可以明顯地溶解非平衡共晶相，對于本文所選合金，熱處理后和熱處理前原始組織中共晶相含量的比值隨著凝固速率的減小而增加。在同一熱處理工藝過程中，由于原始組織的尺度不同，同種非平衡第二相可能處于溶解、溶斷、?；痛只炔煌碾A段。在均勻化熱處理溫度與時(shí)間一定的情況下，凝固速率越高，原始凝固組織越細(xì)小，粒狀化效果也越好。
　　將二元合金凝固傳輸模型及算法擴(kuò)展到多元合金的形式，針對三元合金凝固傳

6、輸宏微觀耦合模型，提出耦合Thermo-Calc的T-fS-CL數(shù)值迭代計(jì)算方法，并對數(shù)值解法的收斂性進(jìn)行了證明?；谝陨隙嘣辖鹉虃鬏斈Ｐ图八惴?，編制Fortran模擬程序，對合金Al-10.5Cu-7.5Si三元合金的凝固傳輸進(jìn)行了模擬計(jì)算，計(jì)算過程采用了三種不同的熱力學(xué)數(shù)據(jù)獲取方法：耦合相圖計(jì)算法、查表法、擬合函數(shù)法。不同熱力學(xué)數(shù)據(jù)獲取方法的模擬結(jié)果對比，一方面證明了本文提出模型與算法的準(zhǔn)確性，另一方面得出結(jié)論：擬合函數(shù)法和查表

7、法的計(jì)算效率遠(yuǎn)高于耦合相圖計(jì)算法，而擬合函數(shù)法所用時(shí)間大約是查表法的65％。
　　將多元合金宏微觀耦合模型及T-fS-CL求解算法應(yīng)用于預(yù)測Biot≤0.1合金的凝固路徑及微觀組織含量的預(yù)測。通過合金Al-2.0Si-3.0Mg與Al-5.17Cu-2.63Si的實(shí)例計(jì)算及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了算法與模型的準(zhǔn)確性。
　　選擇Al-3.46Cu-5.70Si合金，通過定向凝固實(shí)驗(yàn)得到柱狀晶定向凝固組織。通過設(shè)定與實(shí)驗(yàn)相同的條件，對該