镍基高温合金SLM过程中熔池内的微观结构演变数值模拟

采用有限元耦合相场的方法研究IN718高温合金在激光选区熔化过程中熔池内的竞争性生长和晶粒/枝晶结构的演变。通过有限元解决热演化问题,然后将结果输入相场模型,相场模拟涉及晶粒成核、晶粒外延生长和晶粒竞争的微观结构演变。基于对熔池横向和纵向截面微观结构演变的分析,讨论SLM过程中枝晶竞争性生长的机制,并量化计算熔池中溶质元素Nb的浓度分布。结果表明,枝晶竞争性生长受温度梯度和晶体学取向的影响,具有高错配角(>22.5°)的不利取向晶粒将很快被有利取向晶粒淘汰。

利用定向凝固方法提高Mg-0.8%Ca合金的力学性能和降解性能

研究定向凝固Mg-0.8Ca(质量分数,%)合金的力学性能以及在Hank’s溶液中的降解性能,并与普通铸造Mg-0.8Ca合金的性能进行比较。利用OM、SEM、TEM和EBSD对定向凝固合金的显微组织进行研究。结果表明,定向凝固合金具有柱状晶组织,且合金的柱状晶粒沿<1120>方向择优生长。与普通的铸造合金相比,定向凝固Mg-0.8Ca合金的强度和塑性均显著提高。同时,定向凝固Mg-0.8Ca合金在Hank’s溶液中的抗腐蚀能力也得到极大提升。合金在Hank’s溶液中主要发生微电偶腐蚀,合金的腐蚀产物包括Mg(OH)_(2)、(Ca,Mg)_(3)(PO_(4))_(2)和羟基磷灰石。定向凝固合金性能的提高主要与柱状晶组织特征及共晶的再分布有关。具有柱状树枝晶组织的定向凝固Mg-0.8Ca合金有望用作可降解生物医用材料。

镁合金低压脉冲磁场晶粒细化

提出一种低压脉冲磁场合金晶粒细化技术,分析常规铸造和半连续铸造条件下,低压脉冲磁场对镁合金凝固组织的影响。结果表明:脉冲磁场对AZ31、AZ91D、AZ80、AM60、AS31和Mg-Gd-Y-Zr镁合金均有显著的细化效果。施加脉冲磁场后,初生α-Mg形态发生明显球化,由粗大、发达的枝晶变为细小的蔷薇状,且溶质偏析显著降低。采用商用ANSYS软件分析了电磁力、流场以及焦耳热对熔体的影响规律,从形核和生长角度分析了脉冲磁场下镁合金晶粒细化机制,依据界面稳定性理论提出了脉冲磁场下镁合金晶粒球化模型。

液态金属电磁离心凝固的力场分析

运用磁流体动力学原理，对在稳恒磁场中高速旋转的液态金属凝固时的受力状态进行了理论解析，结果表明在电磁力场、离心力场和重力场共同作用下，旋转液态金属中受到大小周期变化的径向压力和切向分力，后者起电磁搅拌作用，是细化电磁离心凝固组织的根本原因．

两种金属材料腐蚀磨损的交互作用

金属材料的腐蚀磨损率不是其腐蚀率与磨损率之和，这是由于存在腐蚀与磨损交互作用的缘故．在腐蚀磨损系统中，若忽略温度和压力等环境因素的影响，则材料的腐蚀磨损就是电化学因素与力学因素交互作用的结果．在给定的试验条件下，４５＃钢和２Ｃｒ１３不锈钢在分别含硫酸、盐酸和硝酸的石英砂浆体冲击下的腐蚀磨损率均大于各自的腐蚀率与磨损率之和，证明有交互作用发生，而且交互作用值随腐蚀率或磨损率的增高而增大．在对影响腐蚀磨损交互作用的主要因素进行分析的基础上，建立了反映材料腐蚀磨损交互作用与腐蚀率及磨损率之间数量关系和变化规律的交互作用图．利用这种图可以分析腐蚀磨损中电化学因素和力学因素对腐蚀磨损交互作用的影响，比较不同材料的腐蚀磨损交互作用受这两种因素影响的敏感程度。

金属快速凝固的非平衡超急速传热模型

运用非Fburier传热理论建立了金属快速凝固过程中的非平衡传热理论模型,包括非Fourier方程的建立、传热与相变模拟.模拟计算表明: (1)在溅射激冷条件下,界面换热系数越大,界面冷却速度和移动速度也越高.在界面换热系数相同时,计算得到的界面冷却速度随着固-液界面高度的提高呈现先上升而后下降的变化趋势;计算得到的冷却速度值明显小于Fourier定律的计算值. (2)在激光加热条件下,计算的界面移动速度在凝固开始时先急剧增加,然后渐趋平稳.计算还表明,金属的过热度及过冷度与其热物性相关.

25Cr20Ni耐热钢电磁场离心铸造组织的研究

研究了电磁场离心铸造２５Ｃｒ２０Ｎｉ耐热钢的凝固组织特征。离心铸型中的液态金属在稳恒磁场中高速旋转时，电磁力使液相朝着与旋转方向相反的方向流动，导致柱状晶生长方向改变，出现向铸型旋转方向偏转的倾斜柱状晶。当作用于液态金属中的磁通量密度增加时，由电磁力引起的流动现象更加显著，使固液界面处的技状晶折断，液相呈等轴晶方式凝固。凝固组织中的等轴晶尺寸和柱状晶区内的二次枝晶臂间距随磁通量密度增加而减小。

CrWMn钢在超塑变形时的组织变化

利用电子显微镜和自动图象分析仪对CrWMn钢在超塑变形过程中的组织进行了研究。测量了基体晶粒的尺寸变化,测定了碳化物颗粒的类型、分布及体积分数和尺寸变化,观察分析了位错的形态及分布。结果表明CrWMn钢在超塑变形过程中发生应力促进的晶粒长大和碳化物的粗化,晶粒长大受碳化物粗化速率控制,晶粒形貌保持等轴。在晶界及其周围区域位错密度较高,晶粒心部仅有少量位错。超塑变形主要是晶界周围位错运动协调的晶界滑移过程。

GCr15钢超塑性变形的位错研究

利用透射电子显微镜对 GCr15钢在超塑性变形时的组织进行了观察和分析。结果表明:在超塑性变形过程中存在位错运动,位错主要位于晶界及其附近区域,仅在少数较大晶粒内部才有位错,在一些三叉晶界处有向晶内发射位错的现象。随应变速率增加,晶内位错密度增加,超塑性能下降。超塑性交形过程中发生晶界滑移,位错运动主要对晶界滑移起协调作用,也有外加应力直接激发的位错滑移。

基于曲率驱动机制的晶粒生长元胞自动机模型

结合晶粒生长的统计分析理论和概率性转变规则,建立了基于曲率驱动机制的晶粒正常生长的二维元胞自动机模型.该模型的一个显著特点是晶粒生长速率和晶界曲率(1/RC-1/R)之间满足线性关系,而传统的元胞自动机模型则难以满足这种线性关系.模拟结果比较全面地反映了等温条件下晶粒正常生长的各种现象:平均晶粒面积与时间的关系,晶粒尺寸、晶粒边数的分布规律及其时间不变性,晶粒边数与尺寸的关系,以及晶粒生长速率与鼎粒尺寸和曲率的关系等.模拟结果与晶粒生长的动力学理论预测相符合.

脉冲磁场对Mg-Gd-Y-Zr合金凝固及力学性能的影响

在Mg-Gd-Y-Zr合金凝固过程中施加不同频率的脉冲磁场,研究脉冲磁场对Mg-Gd-Y-Zr合金凝固的影响。实验结果表明,脉冲磁场使Mg-Gd-Y-Zr合金晶粒细化,在频率为5Hz条件下获得最佳的晶粒细化效果,平均晶粒尺寸从未加脉冲磁场条件下的65μm细化到37μm。脉冲磁场的搅拌导致熔体磁过冷及熔体温度梯度降低是晶粒细化的主要原因。脉冲磁场的施加使抗拉强度和延伸率较常规铸造合金分别提高了4.8%、78.5%。

Sr对AZ91D镁合金枝晶生长和相析出的影响

加入微量Sr(0.01%—0.1%,质量分数)可明显细化AZ91D镁合金晶粒,随Sr含量增加,初生相α-Mg尺寸逐渐减小,而二次枝晶间距变化不大,同时β-Mg_(17)Al_(12)析出相增多.Sr添加量为0.1%时,针状或块状Al_4Sr相依附在枝晶间的β-Mg_(17)Al_(12)相上析出.Sr在AZ91D合金凝固固-液界面前沿富集,并且优先在曲率较大的枝晶端面富集,从而抑制晶粒长大,细化了合金中初生相α-Mg;同时,Sr在枝晶的尖端富集降低了初生相α-Mg的尖端生长优势,改变了初生相形貌.

单辊法制备非晶合金中的传热与熔体流动数值模拟

基于耦合的二维Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ动量方程和热传导方程建立了单辊法制备非晶合金中的传热和熔体流体动力学模型．利用ＳＩＭＰＬＥ差分算法计算了熔池内的温度场和速度场．获得了不同辊速条件下熔体的平均冷却速度．与红外热像法测得的Ｆｅ７８Ｓｉ９Ｂ１２Ｍｏ非晶合金的冷却速度相比，数值模拟得到的冷却速度在熔池大部分范围内与实验结果接近．在熔池的左右边界，由于界面换热系数难以准确预测。

HP耐热钢裂解炉管服役弱化的组织特征及其成因

在分析测试服役HP耐热钢裂解炉管的基础上，探讨了使用过程中炉管内壁材质的弱化机制、结果表明，炉管内壁亚表层贫碳化物区及内部渗碳区的形成及加深主要与表面氧化层的剥落和重建、晶间氧化区的形成、碳及合金元素在基体中的扩散速度以及形成碳化物的临界碳浓度cmax密切相关；丝状催化焦炭的形成与发展促进了炉管内壁组织弱化，而非催化气相焦炭的沉积在一定程度上抑制了材料的弱化；反复的结焦和清焦是促使炉管内壁材质弱化的主要原因.

液态反应法制备TiC_p增强铸造Fe-Cr-Ni基复合材料

研究了利用液态反应法制备的TiC颗粒（TiCo）增强铸造Fe-Cr-Ni基复合材料的显微结构和力学性能．该复合材料主要由γ基体和均匀分布的尺寸为1-5μm的球状或多面体状TiCp组成γ／TiCp界面洁净，两相靠近界面的区域内均存在高密度位错（Ti十C）加入量（质量分数）为3％-6％时复合材料的常温和高温拉伸性能比基体合金明显提高，其拉伸断口在800℃时仍能保持韧性断裂特征.

石墨烯增强铝基复合材料的制备工艺、组织与性能研究进展

石墨烯因独特的二维结构与优异的力学性能成为铝基复合材料的理想增强体。随着铝基复合材料制备技术的日益成熟,石墨烯增强铝基复合材料在结构材料的广泛应用已成为研究的热点。综述了石墨烯增强铝基复合材料制备工艺的最新研究进展,重点讨论了石墨烯有效分散的方法,石墨烯铝基复合材料的组织与界面结构。研究表明,石墨烯能够显著提高复合材料的力学性能,细化基体晶粒。通过合理控制复合材料的制备工艺参数不但能够有效解决石墨烯的团聚问题,而且能避免石墨烯与基体之间界面的不利反应。最后提出了石墨烯增强铝基复合材料研究目前面临的挑战以及解决思路。

电磁离心铸造工艺的研究

本文首次提出并研究了电磁场中离心铸造新工艺及其产品的组织和性能.

具有复合组织的不锈钢管周期轧制过程的数值模拟

应用ANSYS软件对具有复合组织的电磁离心铸造1Cr18Ni9Ti不锈钢管的周期轧制过程进行了三维有限元数值模拟.模拟结果表明,管坯轴向塑性越好,在轧制过程中产生的剪切应力σrz和剪切应变εrz越小,管坯变形能力越强.降低工具与管坯摩擦系数,可以减小σrz和εrz.减小管坯外层柱状晶区与内层等轴晶区之间σrz的不连续性,提高管坯的变形能力和成形管材的质量.在电磁离心凝固时适当地加大励磁电流以增加铸管中等轴晶区比例,不但可以提高铸管的力学性能,还可以减小管坯在轧制过程中所产生的σrz和εrz,进而使其轧制变形能力增强,其成形管材质量也得到改善.通过轧制实验验证,模拟结果与实验结果吻合良好.

25Cr35Ni耐热合金表面结焦机制

分析了２５ Ｃｒ３５ Ｎｉ耐热合金表面的沉积焦炭，探讨了焦炭的形成机理．结果表明，焦炭分为三种类型，即丝状焦炭、层片状焦炭和颗粒状焦炭；局域丝状焦炭的沉积与材料表面化学成分密切相关，其余焦炭的形成和生长本质上不受材料成分的影响；丝状焦炭的生长促进材料表面继续结焦和渗碳，而非催化焦炭的沉积一定程度地抑制催化焦炭的继续形成和发展。

直流电场对一种镍基单晶高温合金力学性能的影响

采用电场凝固技术在自制电场定向凝固装置上进行电场单晶生长,研究了直流电场对一种镍基单晶高温合金室温拉伸性能和高温持久性能的影响．结果表明,随着电流密度增大,合金的室温屈服强度明显提高,但抗拉强度无明显改善,且塑性降低；在980℃和221MPa条件下,高温持久时间显著延长,持久塑性得到改善．利用扫描电镜和电子探针对该合金的凝固组织、合金成分分布和断口形貌进行了分析．结果表明,直流电场引起枝晶间距及γ′相尺寸减小、成分偏析减轻,共品和亚晶界减少．直流电场作用导致的γ′相尺寸减小及成分偏析减轻导致的γ/γ′错配度变化,对合金的屈服强度和高温持久性能的提高有贡献．