强制流动对Mg–9%Al合金定向凝固组织演化的模拟研究

基于欧拉多相流技术与元胞自动机方法构建了镁合金凝固组织预测模型,研究了无流动、x方向流动和y方向流动三种条件下Mg–9%Al合金定向凝固过程中的成分和组织演化过程.研究结果表明,无流动作用时镁合金枝晶呈现互为60°夹角生长,并在凝固后期出现与一次枝晶呈60°夹角二次枝晶形貌,凝固组织具有密排六方(HCP)晶体结构特征,验证了该模型的可靠性.由于x方向的流动作用下,与无流动结果相比较,迎流方向枝晶生长较快并出现发达的二次枝晶形貌,研究表明由于枝晶前端排出的溶质受流动影响被运输到枝晶后端区域,从而使前端区域具有更大的过冷度,提升了凝固驱动力.由于y方向流动的存在,枝晶呈现不对称生长,其中部分枝晶生长方向偏转约3°,研究表明迎流枝晶前沿的溶质被运输并富集在其他枝晶生长区域,最终使其发生了生长偏转;进一步分析枝晶生长前沿的流场和成分分布信息发现,枝晶生长过程中流动u1∇c1引起的值在固液界面处的不对称分布是导致枝晶生长发生偏转的主要原因.

基于元胞自动机方法与欧拉多相流技术的激光沉积IN718组织形貌模拟

为研究激光沉积过程中沉积层微观枝晶外延生长及转向机制,基于欧拉多相流技术与元胞自动机方法相结合,建立了激光沉积IN718二维熔化凝固模型;获得了沉积层温度场、流场以及微观凝固组织的演变过程,对比了模拟与实验所得沉积层枝晶外延生长区厚度,分析了顶部枝晶转向的机制。结果表明:温度场与流场相互影响,模型对沉积层厚度预测误差约为7.0%。沉积层顶部和中部晶体织构取向不同,枝晶的生长方向更偏向于局部热梯度方向,在沉积层顶部,局部热梯度的方向接近水平方向,枝晶的生长方向与局部热梯度偏角较小,因此,形成平行于激光扫描方向的枝晶区。

一种新的基于FDM/FEM挤压铸造收缩缺陷计算模型

根据挤压铸造的凝固特点,采用高阶导热偏微分方程有限差分计算模型(FDM格式)进行温度场数值模拟,使用动态孤立多熔池判定法确定熔池位置,采用FEM进行熔池中心位置压力计算。若熔池中心位置的压力已经降至0,封闭在硬壳内的液态金属将在没有压力作用的情况下凝固,并按照重力补缩方式进行补缩。采用孤立熔池等效液面下降法来预测收缩缺陷的形成,模拟结果与实验结果基本吻合。

基于欧拉多相流技术与元胞自动机方法的Mg-9%Al合金凝固组织模拟

本文基于欧拉多相流技术与元胞自动机方法,构建了镁合金凝固组织演化模型,研究了Mg-9%Al(质量分数)合金单晶粒和多晶粒下的凝固微观组织演化过程;利用本模型研究了熔体流动对晶粒生长的影响;比较分析不同择优生长方向镁合金单晶粒的生长过程。结果表明:晶粒均呈现六重对称结构生长,且各枝晶的生长差异小于10%,验证了模型的可靠性。由于背流区域的溶质传输较慢,形成较小过冷度,导致生长速度减缓,而迎流区域呈现相反的结果。最后,将模型应用到某压铸件肋板处凝固过程分析,获得该区域凝固组织形貌,将模拟结果与实验结果进行比较发现,两者吻合较好。

SiC_p尺寸对AZ91D镁基复合材料显微组织和力学性能的影响

采用搅拌铸造法制备了不同尺寸的SiCP增强AZ91D镁基复合材料,并对其显微组织和力学性能进行了研究。结果表明,当SiCp加入量为2%,SiC颗粒尺寸为0.5μm时,SiCp/AZ91D镁基复合材料晶粒细小,分布均匀。复合材料的抗拉强度达到150.6 MPa,与AZ91D基体相比提高了57.6%,但伸长率有所降低。

稳态磁场对激光熔覆钴基合金宏观偏析及元素扩散影响

目的探究稳态磁场对熔覆层宏观偏析及元素扩散的影响机制,为调控熔覆层元素分布提供理论指导。方法采用同轴送粉方式,利用稳态磁场辅助激光熔覆制备钴基合金熔覆层。通过光学显微镜和扫描电子显微镜,对有无宏观偏析区域的元素含量进行半定量测量,分析了不同磁场强度条件下熔覆层的显微组织及元素扩散规律。结果在无磁场时,宏观偏析主要存在于熔覆层底部,部分分布于熔覆层上层区域,并有一定的扩散现象。加入稳态磁场后,由于稳态磁场产生的感应洛伦兹力与熔池流动方向相反,抑制了熔池对流,宏观偏析出现聚集现象,且无明显扩散。加入稳态磁场后,熔覆层宏观偏析区域具有较高的Fe含量,最高质量分数可达67.9%,这与基体中的Fe含量接近。熔覆层无宏观偏析区域Co的质量分数增加了8%,Fe的质量分数降低了12.1%,熔覆层底部宏观偏析面积占比由10%增加到25%。结论稳态磁场能够使宏观偏析产生富集,使更多的Fe元素存在于熔池底部,同时抑制Fe元素在熔覆层中扩散。稳态磁场有效降低了基体元素对熔覆层的稀释,使无宏观偏析区域的元素含量与粉末的元素含量更为接近。

基于成分均匀化的层状铸造方法的实验与模拟研究

提出了一种可降低铸锭宏观偏析的铸造工艺:层状铸造(layer casting,LC)。将铸锭分为数个甚至数十个浇包逐次间隔浇注,使每包次浇入的金属液依次、逐层凝固,从而达到降低铸锭中宏观偏析的目的。采用实验与数值模拟相结合的手段验证该工艺的可行性和适用性。分别采用传统铸造工艺和层状铸造工艺制备Al-4.0%Cu(质量分数)小铸锭,采用直读光谱仪测量铸锭中心截面处Cu含量并绘制出对应的宏观偏析图。实验结果表明:采用传统铸造工艺制备的铸锭出现明显的宏观偏析,包括铸锭底部严重的负偏析和顶部正偏析;而采用层状铸造工艺制备的铸锭没有出现大范围严重的宏观偏析,铸锭中心线上最小负偏析和最大正偏析分别降低了24.6%和77.2%,说明层状铸造工艺可一定程度改善铸锭宏观偏析。同时,采用柱状晶-等轴晶混合三相凝固模型对100和13 t钢锭的传统铸造工艺以及层状铸造工艺的宏观偏析的形成进行数值模拟预测。模拟结果表明:采用层状铸造工艺可有效改善大型钢锭中的宏观偏析,并且随着钢锭尺寸的增大,该工艺对宏观偏析的改善效果愈加明显。并对层状铸造工艺抑制宏观偏析的作用机理进行了分析。

基于热溶质对流及晶粒运动的柱状晶-非球状等轴晶混合三相模型

基于Eulerian-Eulerian方法,阐述了简化枝晶状等轴晶、柱状晶以及金属液三相完全混合的凝固模型.模型考虑了等轴晶的移动及柱状晶对等轴晶的捕获,跟踪了柱状晶尖端的位置并考虑了等轴晶和柱状晶的相互竞争生长,因此该模型具备了预测柱状晶向等轴晶转变(CET)的能力;为了在不过量增加计算量的前提下提高模型的精度,模型对等轴晶采取了简单的枝晶化处理,即采用简化方法描述等轴晶包络线内固相分数.分别模拟了3.25和25 t钢锭的凝固过程,成功预测了大型钢锭凝固过程所形成的底部锥形负偏析、"类-A型"偏析以及CET等现象.分析认为长细形状铸锭中出现的顶部负偏析区,是由于凝固后期所形成的局部小钢锭及等轴晶在其内部的沉积聚集而成.

45钢基体激光熔覆316L粉末搭接过程中Cr元素分布机制研究

为了探究激光熔覆搭接过程中元素分布的演化机制,建立了基于体积平均法的Eulerian-Eulerian多相流三维熔化凝固模型,模拟了45钢基体激光熔覆316L粉末的过程,获得了搭接过程中第一、二道熔覆层之间温度场、流场及溶质场的相互作用机制。对比分析了搭接过程中第一、二道熔覆层模拟与试验的熔池形貌结果,熔深误差分别为1.96%和5.39%,熔高误差分别为0.97%和2.62%,熔宽误差分别为7.27%和6.70%,验证了模型的可靠性。Cr元素分布结果表明:在第一道熔覆层的影响下,第二道熔覆层Cr元素的平均含量略高于第一道熔覆层Cr元素的平均含量。搭接区域Cr元素的平均含量略高于两道熔覆层Cr元素的平均含量。这是由于第一道熔覆层影响第二道熔覆层的熔池尺寸、横截面左右温度梯度分布及基体热量吸收,因此两道熔覆层的元素分布有着显著差异。

激光熔覆316L粉末多层堆积过程中熔覆层Cr元素分布机制研究

为了研究激光熔覆316L粉末多层堆积过程中熔覆层的Cr元素分布机制,建立了一种基于体积平均法的三相熔化凝固模型,模拟多层激光熔覆过程中的熔池流动、传热和传质现象。对模拟结果与实验结果进行比较分析,验证了模型的可靠性。通过分析激光熔覆多层316L粉末过程中的温度场、流场以及元素分布的瞬态变化,以Cr元素作为粉末的示踪元素获得了熔覆层的元素分布机制。结果表明:由于Marangoni效应,熔池内形成了位于熔池前端的顺时针方向涡流和后端的逆时针涡流,熔池最大流速出现在熔池后端表面;在前三层熔覆过程中,随着层数增加,熔池表面温度梯度下降导致熔池最大流速减小,而在热积累作用下熔池体积明显增大,但熔池内部流态不发生改变。同时,第二、三层熔覆时熔覆层发生部分重熔,重熔区内的基体元素在熔池内被粉末元素再次稀释,导致粉末元素的含量在熔覆层内逐层上升,最终获得从基体元素向粉末元素过渡的熔覆层。

低粗糙度表面的连续激光抛光形貌演化机制研究

采用连续光纤激光器在氩气环境下对粗糙度为R_(a)=0.95μm的低粗糙表面进行激光抛光实验,通过光学显微镜和激光共聚焦显微镜对单道激光抛光熔池截面、抛光前后三维表面形貌及表面轮廓进行分析。研究结果显示:在其他参数不变的条件下,随着扫描速度的提升,单道连续激光抛光熔池两侧的咬边现象逐渐加重。随着激光功率的提高,由于单道抛光熔池不稳定,熔池表面的起伏现象逐渐加剧。当扫描线间距为0.02 mm时,连续激光多道搭接之间未重熔区域具有较低表面起伏值,粗糙度可降低至R_(a)=0.45μm。然而,激光单向扫描抛光后表面产生的波纹起伏会阻止粗糙度的进一步降低,采用正交扫描和未搭接区域回填扫描的策略,可对激光单向扫描抛光产生的波纹起伏进行重熔正交补偿,使粗糙度值由R_(a)=0.45μm进一步降低至R_(a)=0.048μm,较原始粗糙度下降95%。

不同工艺参数下超高功率激光切割304 不锈钢厚板断面质量研究

为探究厚板激光切割过程中工艺参数对切割断面质量的影响,使用奔腾激光自主研发的30000 W超高功率光纤激光切割机对40 mm厚304不锈钢进行四因素、五水平正交试验,分析残差结果,得到各工艺参数对切割断面指标(上下切缝宽度、垂直度以及上部、中部、下部板材粗糙度值)的影响规律。结果表明:上下表面切缝宽度影响主次为离焦量、辅助气压、激光功率、切割速度;垂直度影响主次为切割速度、离焦量、激光功率、辅助气压;粗糙度影响主次为激光功率、离焦量、辅助气压、切割速度。残差分析结果表明,超高功率激光切割40 mm厚304不锈钢优化工艺参数如下:激光功率为20000 W、切割速度为200 mm/min、辅助气压为18 bar、离焦量为+11 mm。

电磁复合场驱动激光减材直接成型V型槽形貌研究

研究了电磁复合场对激光减材加工V型槽形貌的影响。在激光减材过程中同时施加稳态电场与稳态磁场,以获得定向洛伦兹力,从而驱动熔池排溢;通过实验研究了激光参数以及电磁场参数对V型槽形貌的影响规律。实验结果显示:在电磁复合场环境下通过改变激光参数得到了角度范围为34.82°~65.20°、深度范围为1719~5667μm的V型槽;角度随着激光功率的增加和扫描速度的降低而减小,深度随着激光功率的增加和扫描速度的降低而增大;当激光功率为1800 W时,随着磁感应强度从0 mT增大至1200 mT,V型槽底部的重熔层厚度从764μm下降至42μm;材料去除效率主要受激光功率的影响,并随着激光功率的增加而增大。加工出的目标V型槽的角度公差等级为精密(f),深度线性公差等级为中等(m),表面粗糙度Ra值为22.4μm。稳态磁场与稳态电场所提供的向上的洛伦兹力克服重力及表面张力驱动熔池向上流动,熔体以多次飞溅的形式脱离基体,实现一次直接成型V型槽。

颗粒对Al-4.5 wt% Cu合金定向凝固汇聚生长的元胞自动机模拟研究

定向凝固是制备单晶的重要技术之一,被广泛应用于航空航天、能源、电子、医疗器械等领域。但是在定向凝固过程中难免会出现杂晶、夹杂等缺陷,因此研究颗粒对枝晶竞争生长机制的影响对制备高品质单晶试样具有重要意义。基于欧拉多相流模型与元胞自动机方法,通过构建Al-4.5 wt%Cu合金枝晶生长模型,比较不同取向枝晶在相同条件下获得的枝晶前沿溶质分布和枝晶长度差异来验证模型的可靠性,然后开展了定向凝固双晶粒凝固组织演化和颗粒对枝晶生长影响的研究。模拟结果表明,无颗粒影响的汇聚竞争生长中非择优取向枝晶压制择优取向枝晶生长,再现了反常淘汰现象。但是通过将颗粒引入合金定向凝固汇聚生长的晶界附近后,颗粒的存在干扰了非择优生长取向枝晶生长,亦可提高择优取向枝晶生长稳定性,实现了对反常淘汰现象的控制。

工艺参数对316L不锈钢激光熔覆层中Cr元素分布的影响

采用基于体积平均法的气-固-液三相激光熔覆模型,探究了工艺参数对45钢表面激光熔覆316L不锈钢熔覆层中Cr元素分布及其均匀性的影响。首先,使用Cr元素的平均浓度来表征熔覆层中元素的分布情况,并对熔覆过程中Cr元素分布的演变进行分析;然后,将Cr元素在y方向分布的计算结果与实验结果进行对比,验证了模型的可靠性;之后通过设定的正交工艺参数进行模拟,探究工艺参数与熔覆层中Cr元素平均含量之间的关系;最后,根据模拟结果对熔池的流动行为进行分析,探究工艺参数与熔覆层中Cr元素在x方向分布均匀性之间的关系。研究结果表明:对熔覆层中Cr元素含量影响最大的工艺参数是送粉率,然后依次为激光功率和扫描速度,送粉率与Cr元素含量呈正相关,激光功率与Cr元素含量呈负相关。熔池凝固速率与流速对熔覆层中Cr元素分布的均匀性有较大影响,可通过适当增大激光功率和降低扫描速度来获得元素分布更为均匀的熔覆层。

感应洛伦兹力对激光熔覆Inconel 718涂层中Fe元素分布的影响

为了研究稳态磁场对激光熔覆Inconel 718涂层中Fe元素分布的影响,建立基于体积平均法的三相混合凝固模型,在激光熔覆过程中耦合加入稳态磁场,模拟316L不锈钢表面制备Inconel718涂层。采用2D瞬态模型,结合传热传质,流体流动和感应洛伦兹力,模拟激光熔覆涂层中的元素分布,并与实验结果进行对比。结果表明,未施加磁场时熔覆层中Fe元素呈均匀分布;施加稳态磁场时熔覆层中Fe元素分布不均匀,在熔覆层顶部Fe元素含量较低,熔覆层底部Fe元素含量较高。模拟结果与实验结果吻合良好,证明计算模型的可靠性,也表明稳态磁场能够抑制熔池流动,对移动熔池的传热传质产生影响,最终改变激光熔覆涂层中的元素分布。

溶质再分配系数对激光熔覆溶质分布的影响

为了提高沉积层溶质分布的预测精度,研究溶质再分配系数对沉积层溶质分布的影响机制,本研究团队将体积平均法和非平衡溶质再分配系数计算方法相结合,分别建立动态溶质再分配系数凝固模型和恒定溶质再分配系数凝固模型,模拟45钢表面316L不锈钢涂层的激光熔覆过程,分析熔覆过程中的流动、传热和传质现象。结果表明:两种模型预测的温度场分布、熔池形貌、熔池流场等结果的差异性并不明显,但在元素分布方面,动态溶质再分配系数凝固模型的误差更小,更接近实验结果。分析后认为,溶质再分配系数在沉积层溶质分布过程中起主导控制作用,动态溶质再分配系数更接近真实的熔池凝固过程,从而使预测准确性更高。