轻合金凝固技术专题评述

以轻合金代替传统的钢铁材料是汽车节能减排的重要途径之一,对提高车辆的续航里程和效率具有重要意义。航天器“为减轻每1 g重量奋斗”(卫星发射,节省1 kg重量将降低费用2万美元),因此轻量化也是航空航天装备发展的永恒主题。铝合金和镁合金具有低密度、高强度、良好的耐腐蚀性和成形性,广泛应用于汽车车身、火箭箭体、导弹壳体、飞机机翼等部件,其轻量化效果显著。高性能轻合金复杂构件常用的成形方式有低压铸造、压铸和挤压铸造等。在过去的几十年里,人们对合金的成分、工艺、微观组织和性能之间的关系开展了系统、深入的研究,极大地推动了铝、镁合金的发展和轻量化应用。但铝、镁等合金铸造工艺复杂、影响因素众多,易产生各种铸造缺陷,如何生产出结构复杂、性能优异的优质铸件仍是一个长期的挑战。

铝合金低压铸造过程数值模拟

铝合金密度小、比强度高,常作为汽车轻量化材料。低压铸造充型平稳,能成形复杂薄壁铸件,广泛应用于汽车典型零部件的制造。为优化低压铸造工艺、减少铸件缺陷、获得优良组织性能的铸件,运用集成计算材料工程与多尺度数值模拟方法对铝合金低压铸造过程开展研究,具有重要的科学意义与工程价值。本文全面综述了低压铸造铝合金凝固过程数值模拟技术的发展,分析了充型过程和凝固过程的宏观数值模拟及其常用算法,归纳总结了元胞自动机模拟铝合金初生相和共晶相的微观组织演变的研究现状,展望了铝合金低压铸造过程数值模拟的未来发展方向。

铝合金枝晶生长的数值模拟

提出一种新的模拟铝合金枝晶生长的随机性方法,建立了简化的枝晶形状的物理与数学模型,并提出了一种形状函数来描述晶粒的外部轮廓,基于简化的晶粒形状,采用坐标变换技术来描述过冷液相中晶粒的生长过程及其对周围节点的捕获过程.根据上述思想,开发了等轴晶生长的模拟程序,并进行了二维计算.为了验证模拟结果,浇注了金属型和砂型试样.模拟结果表明,金属型铸造晶粒尺寸较小,砂型铸造的较大.模拟结果与金相观察结果相符.

铸造合金的微观组织模拟研究进展

凝固过程的数值模拟正在由宏观向微观转变。微观模拟不仅可以得到材料的凝固组织,而且还能为宏观模拟提供准确的潜热释放信息。针对目前微观组织模拟的研究现状,介绍了几种主要的模拟研究方法,如确定性模拟方法、随机性模拟方法和相场方法等,阐述了其主要特征和模拟微观组织时存在的优缺点。最后对微观模拟中现存的问题及发展方向作了分析。

多孔铝合金材料吸声性能的研究

采用加压铸造工艺制备了多孔铝合金。多孔铝合金的孔隙尺寸为0．5～1．6mm，孔隙率为60％～80％，通孔率为85％～11％，最大制品尺寸为11mm×100mm。多孔金属具有较大的吸声系数，不同的多孔铝合金其吸声系数随频率的变化趋势基本相同。当声波频率增加时，多孔铝合金的吸声系数增大。减小孔隙尺寸和增加孔隙率，多孔铝合金的吸声系数增大。当声波频率在3．5kHz时，吸声系数达到最大。

采用Cellular Automaton法模拟铝合金的微观组织

采用 Cellular Automaton微观模型 ,并与宏观的传热计算相结合 ,对砂型铸造铝合金铸件的凝固组织形成进行了模拟。在模拟过程中 ,采用连续形核的方法处理液态金属的异质形核现象。通过高斯分布函数描述形核质点密度随温度的分布关系 ,在给定过冷度时对分布函数求积分可得该时刻的形核密度。晶粒生长模型则考虑枝晶尖端生长动力学和择优生长方向〈1 0 0〉晶向。模拟计算结果表明 ,在冷却速度不变的情况下 ,随着形核分布参数ΔTN 增加 ,所得到的晶粒尺寸增大。

铸造合金凝固组织的计算机模拟与预测

数值模拟技术与计算机技术的迅速发展,使凝固过程的数值模拟正在由宏观向微观转变。微观模拟不仅可以得到材料的凝固组织,而且还能为宏观模拟提供准确的潜热释放信息。对宏观和微观现象的完整耦合可以使我们对铸造凝固过程作出更加准确的模拟预测。针对目前微观组织模拟的研究现状,介绍了几种主要的模拟研究方法,如确定性模拟方法、随机性模拟方法和相场方法等,阐述了其主要特征和模拟微观组织时存在的优缺点,并给出了各种模拟方法的计算实例。由于凝固组织数值模拟的复杂性,对其进行深入的研究是必要的,也是未来计算材料科学的重要发展方向。最后对微观模拟中的问题及发展方向作了分析。

铸造多孔铝合金的吸声性能

采用加压铸造工艺成功地制备了多孔铝合金，孔隙尺寸为０．５～１．６ｍｍ，孔隙率为６０％～８０％，通孔率为８５％～１００％，最大制品尺寸为ｄ１００ｍｍ×１００ｍｍ。扫描电镜观察表明，在焙烧期间预制块颗粒形状由尖角形变为圆形，颗粒之间的搭接面积变大且过渡平缓；所得多孔金属孔隙形状圆滑，互相连通，呈三维网状结构。对多孔金属进行的吸声性能测试表明，多孔金属具有较大的吸声系数，不同的多孔铝合金其吸声系数随频率的变化趋势基本相同，当声波频率增加时，多孔铝合金的吸声系数增大。另外降低多孔铝合金的孔隙尺寸和增加其孔隙率，均会使多孔铝合金的吸声系数增大。在实验测试频率范围内，当声波频率在３．５ｋＨｚ时。

多孔金属的制备工艺方法综述

多孔金属作为一种新型的结构和功能材料,近年来受到了广泛关注,在很多领域都得到了应用。多孔金属的制备方法很多,如铸造类方法、粉末冶金类方法、沉积类方法。按照所用金属原料在制备过程中的状态对多孔金属的制备工艺作了分类介绍,包括基于金属熔体的工艺、基于固态金属粉末的制备方法、基于电或化学沉积的方法。详细介绍了与铸造工艺有关的方法,对其它工艺只作了简要介绍。并分析了各种制备方法的优缺点。

多孔铝合金的铸造工艺研究

采用加压铸造工艺，制备出了多孔铝合金。系统地研究了预制块的制备工艺过程及影响因素。利用所制备的预制块，研究了多孔铝合金的加压铸造工艺。研究表明，预制块孔隙大小及其初始温度、金属液浇注温度、外加压力等影响了金属液在预制块中的充型长度。采用合理的工艺，就可以获得大尺寸的多孔制品。

加压渗流铸造多孔铝合金及其吸声性能

采用加压渗流铸造法成功地制备了最大外形尺寸为Φ１００×１００ｍｍ，孔隙尺寸为０５～１６ｍｍ，孔隙率为６０％～８０％，通孔率为８５％～１００％的多孔铝合金。扫描电镜观察表明：焙烧期间预制块颗粒形状由多角形变为圆角形，颗粒间的搭接面积增大且过渡平缓；制得的多孔金属的孔隙形状圆滑、互相连通，呈三维网状结构。吸声性能测试表明：多孔铝合金具有较大的吸声系数，其吸声系数随声波频率增加而增大，当声波频率为３５ｋＨｚ时达到最大值；多孔铝合金孔隙尺寸减小、孔隙率和厚度增大时，其吸声系数也增大。

1种新的模拟铝合金铸态组织的随机性方法

采用1种新的随机性模拟方法并与宏观传热过程相耦合,对铝合金的微观组织进行了模拟研究。计算中采用了简化的枝晶形状。建立了简化的枝晶形状的物理与数学模型,并提出了1种形状函数来描述晶粒的外部轮廓。基于简化的晶粒形状,采用坐标变换技术来描述过冷液相中晶粒的生长过程及其对周围节点的捕获过程。连续形核模型被用来处理异质形核现象,在生长模型中则考虑了枝晶尖端生长动力学和择优生长方向。开发了等轴晶生长的模拟程序,并进行了二维计算。进行了浇注金属型和砂型试样的模拟验证实验。结果表明,对两种不同的工艺,所得到的晶粒组织不同,金属型铸造时得到的晶粒尺寸较小,砂型铸造的较大。模拟结果与金相观察结果相符。

数值模拟技术在航空发动机高温合金单晶叶片制造中的应用

定向凝固单晶叶片铸件生产工艺复杂、控制要求高,因而通过试验研究高温合金单晶叶片的成本较高,且研发周期长。随着现代计算机软硬件技术的发展,数值模拟技术发展迅速,在工业领域得到了广泛的应用。通过数值方法可模拟航空发动机涡轮叶片的定向凝固过程、预测最终的微观组织和缺陷情况,能够优化定向凝固生产工艺,提高叶片质量,降低研发成本,缩短研发时间。

用快速数据采集系统研究铸件充型过程

采用自行研制的 32通道快速微机数据采集系统对铸造充型过程的流场进行了试验研究。该系统具有采集速度快、数据精度高、测试通道较多、数据处理方便等特点 ,可以在 4 .8ms内扫描全部通道 ,每个通道采样点均在 4 50 0点以上。系统程序采用C ++语言和面向目标方法编写 ,利用整型存储法、动态内存分配及使用扩展内存解决了内存不足的问题。应用该系统对铝合金和球铁在普通砂型铸造和消失模铸造时的充型过程分别进行了测试 ,成功地记录了充型过程中迅速变化的温度场 ,并依据测试点的温度变化规律 ,求出了金属液到达测试点的时间、温度 ,得到了金属液在型腔中的充填次序。

铸造凝固组织模拟的图形显示策略研究

采用CellularAutomaton方法对Al- 7%Si合金的微观组织进行了模拟计算 ,提出了从数字信息中提取晶粒轮廓的方法 ,并运用有关的图形学算法将晶粒组织在计算机上显示出来 .采用黑白显示与彩色显示两种技术表达了模拟计算结果 ,开发了图象的放缩、编辑与晶粒度的计算等功能 ,使微观模拟的后处理模块能较好地满足研究的需要 ,并可与实际的金相组织进行比较 。

一种多孔铝合金制备技术的研究

采用加压铸造法制备出多孔铝合金大块试样，系统地研究了浇注温度、充型压力等工艺参数对充型过程的影响。实验表明，预制块的初始预热温度对最终制品的有效长度起着重要作用，高的浇注温度及较大的充型压力也有助于金属液向空隙的渗透。预制块空隙尺寸越大，金属液越容易渗人，试样的有效渗流长度愈长。在实验研究的基础上，对金属液的渗流长度。

铝合金-盐复合体的制备及热膨胀性能研究

采用加压渗流铸造法制备了铝合金－盐颗粒复合体。并研究了预制块的制备工艺。当粘接剂含量在１０％左右、焙烧温度为７２０℃、焙烧时间为５．４ｋｓ时，可得到抗压强度较高的预制块。运用ＳＥＭ观察了预制块焙烧前后盐颗粒形状的变化。将盐颗粒从铝合金－盐复合体中去除后，得到多孔铝合金。测试其热膨胀系数，发现其平均线膨胀系数比铝合金低。

32通道快速数据采集和管理系统的研制

针对传统的温度测量方法所具有的缺点，如测量点少、精度低、数据处理繁琐等，研制了微机多通道数据采集系统。采用转换精度为１２ 位的 Ａ Ｄ 板，并对模拟信号进行调理放大。该系统可以同时监测３２ 点的温度场变化，在５ｍ ｓ 之内对所有通道扫描一次。采用 Ｏ Ｏ Ｐ 方法和事件驱动机制编制了数据采集软件，利用动态内存分配和使用扩展内存，使得每个监测点的数据样本数可达３０００ 点以上。

多孔泡沫金属的研究现状

本文简要回顾了泡沫金属的发展与研究现状，对多孔泡沫金属的制备及其所具有的机械及物理性能作了描述，并对其今后的研究和发展方向作了展望．

加压渗流铸造制备多孔铝的工艺研究

本文研究了通孔多孔铝合金的制备工艺。采用正交试验法确定了模具及粒子的预热温度、铝液的浇注温度、渗流压力三者的最佳配合关系。在加压渗流铸造制备通孔铝试样时，模具及粒子层的预热温度起着至关重要的作用。通过实验及理论分析发现，预热温度最好在500～550℃之间，浇注温度一般为760℃左右，成形压力一般不超过1MPa。