脉冲磁场对合金凝固过程影响的研究进展

磁场影响合金凝固过程的相关技术自20世纪70年代出现以来,发展至今已衍生出脉冲、稳恒、旋转等多种磁场形式。其中,脉冲磁场因其瞬时场强高、非接触、场强易于控制而引起了学界的大量研究。脉冲磁场对合金凝固过程的影响主要体现在:晶粒形貌转变与细化;合金内部相结构与成分发生改变;合金凝固后宏观缺陷得到改善。目前,学者们对上述现象的内在机理进行了探索。由脉冲磁场引发的熔体强制对流可以将凝固过程中在模具金属型内壁激冷形核的细小晶粒不断从金属型撕下并运往熔体内部,促进晶粒细化,从而抑制晶粒长大。同时,脉冲磁场能降低形核能垒,提升形核率。脉冲磁场引起的焦耳热效应一方面能延长凝固时间,防止熔体表面过快固化;但焦耳热的积累也会导致晶核熔化进而降低形核率。已有大量将脉冲磁场应用于高温合金、Mg合金以及Al合金等对生产生活影响重大的合金的报道。但该技术距离大规模工业化应用还有一段距离。本文分别从脉冲磁场对合金凝固组织的影响、脉冲磁场对合金凝固过程的动态影响机理和脉冲磁场在不同合金凝固过程中的具体应用情况共三个方面系统性地介绍脉冲磁场对合金凝固过程的影响,分析了脉冲磁场处理合金凝固技术的优势与不足,并对该技术的未来发展进行了展望。

合金凝固组织对氢扩散和 MH 电极性能的影响

用电位阶跃法和恒流充放电法研究了贮氢合金凝固组织中氢的扩散行为和合金氢化物电极放电的速度特性。研究表明，合金ＭｌＮｉ３．４５（ＣｏＭｎＴｉ）１．５５各凝固组织中氢的扩散系数Ｄｈ和其氢化物的电极性能均明显不同。随合金凝固时冷却速度增大，晶胞体积和氢扩散系数减小。雾化快凝合金粉末随颗粒尺寸由２００目变化至３６０目（冷却速度增大）时，其Ｄｈ由３．０６×１０－７（ｃｍ２·ｓ－１）减小至７．４７×１０－９（ｃｍ２·ｓ－１）；定向凝固组织随凝固速率Ｒ＝４８μｍ／ｓ增大时，Ｒ＝２２０μｍ／ｓ时，其Ｄｈ则由７．０３×１０－９（ｃｍ２·ｓ－１）增大至１．３１×１０－８（ｃｍ２·ｓ－１）。合金电极的高倍率放电效率主要取决于氢在合金中的扩散速度和电极表面的电催化活性。

Mg-6Zn-xCu-0.6Zr合金凝固路径及热裂倾向性

基于修正的Clyne-Davies热裂模型(CSC~*),对Mg-6Zn-xCu-0.6Zr(x%=0,1%,2%,3%,质量分数)合金热裂倾向性进行预测;采用双电偶热分析法研究Mg-6Zn-xCu-0.6Zr合金凝固路径、凝固过程中的特征温度、枝晶干涉固相分数等。利用"T"型热裂模具测试系统采集Mg-6Zn-xCu-0.6Zr合金凝固收缩力随温度(或时间)的变化曲线。实验结果与CSC~*预测值均表明合金的热裂倾向性随着Cu含量的增加而减小。Cu元素的加入使初生α-Mg相的析出温度降低、MgZn_2相的析出温度升高,从而使合金的凝固温度区间变窄,降低合金的热裂倾向性。Mg-6Zn-(0,1)Cu-0.6Zr合金热裂纹断口主要为液膜和分离的自由枝晶臂。Mg-6Zn-(2,3)Cu-0.6Zr合金断口表面生成大量的低熔点共晶相,液膜较厚,增强残余液相对分离的枝晶补缩能力,降低合金的热裂倾向性。

强磁场对Al-7%Si合金凝固过程中初生α-Al枝晶分布的影响

采用超导强磁场装置研究了磁场强度对有、无细化剂颗粒Al-7%Si(质量分数)合金凝固组织的作用效果。研究发现,施加强磁场使无细化剂颗粒合金中的初生α-Al枝晶转变为发达枝晶形貌,二次枝晶生长充分,三次枝晶分支明显,枝晶尖端清晰可见;晶粒细化,且枝晶主轴与磁场方向呈30°规则排列。施加强磁场后初生α-Al枝晶数量和Si在α-Al中的溶解度都有少量增加。强磁场抑制添加细化剂合金熔体中的对流,加剧了Ti的重力偏析,使初生α-Al相出现明显枝晶化趋势,方向性增强,枝晶臂粗化明显。

合金凝固过程的数学模型

摘 要 对合金凝固过程的数值研究自80年代以来取得了很大的发展,文中讨论了当前针对宏观过程的主要的数学模型,介绍了它们的基本思想,求解方法,以及优缺点.指出了微观过程对宏观行为的重要影响及在模型构造过程中考虑宏观-微观耦合的必要性,并针对在工程实际中的应用和以后的研究进行了有关的探讨.

合金凝固传热传质宏微观耦合数值研究及验证

建立了描述二元合金凝固的平面枝晶一维微观偏析数学模型,考虑溶质在固相中有限扩散,在液相中完全扩散。通过数值模拟,分析比较了A l-Cu和F e-C合金的微观偏析特性。同时,进一步将微观数值模型与宏观凝固实验的传热传质数学模型相耦合,实现了凝固宏微观复合尺度的全数值模拟。研究表明,数值计算结果与实验数据吻合良好,证明微观模型能较准确地反映微观质量传输并能可靠地与宏观相变传热传质模型相耦合。此外,从微观到宏观的计算结果都说明F e-C合金的凝固过程几乎接近平衡凝固。

强磁场对Cu-90%Pb合金凝固中比重偏析的影响

研究了强磁场对Cu-90%Pb合金中比重偏析的影响规律。结果表明:10T磁场下,当冷却速度达到100℃/min以上时,Cu-90%Pb合金中的重力偏析得到完全抑制;随着磁感应强度的增加,磁场对比重偏析的抑制作用增强。在30℃/min冷却速度下,12T磁场使该种合金凝固中的50微米直径颗粒上浮速度下降90%以上。理论分析表明:强磁场增加金属熔体粘度,降低自然对流,诱生洛伦兹力阻力来抑制颗粒上浮和聚合。

过共晶铝硅合金凝固组织细化新工艺

综述了过共晶铝硅合金的几种主要细化工艺,重点阐述了高能超声波半固态搅拌法制备过共晶铝硅合金,介绍了高能超声波法的工艺原理和工艺特点,并通过试验证明高能超声波对细化铝硅合金凝固组织具有显著效果。

P对M38合金凝固组织与偏析的影响

一、前言 微量元素作用的研究在先进高温合金的研究中是一个重要的课题,在过去的研究中,人们对S的有害作用研究较多,而对P的影响注意不够。当前,高温合金的凝固偏析非常严重,如何减小其偏析对发展更高性能的新合金具有重要意义。而根据我们的研究,P在高温合金中不象S那样可以为其他元素所捕捉,因而在凝固过程中严重富集于凝固界面的液体中,大大促进合金的偏析。根据这一发现,我们发展了一系列的更高性能低偏析高温合金,这些合金大都已在国内推广应用。本论文总结了在M38合金上进行的研究工作。 二、试验方法 九种不同P含量的M38合金用双真空冶炼法制备,其成分如表1所示。由相同部位的浇铸底盘切取10mm×10mm×10mm的样品进行熔化试验。 熔化试验在自制的石墨盘和矽碳管中进行,温度由Pt—PtRh热电偶测定,精度可控制在±3℃,方法是将样品加热到所需的温度,保温10min后快速淬入浓盐水中,用金相观察快淬组织的多少与有无来确定合金的熔化过程。用金相显微镜和扫描电镜观察组织,用电子探针测定微区的化学成分,用深腐刻和X光衍射仪配合对相结构进行分析。

单相合金凝固过程微观组织的三维数值模拟

基于晶粒形核和生长物理过程及热质基本传输过程,建立了单相台金凝固过程微观组织和微观偏析形成及枝晶形貌演化的三维数学模型,模型中考虑了成分过冷、曲率过冷和各向异性等重要因素.数值模拟结果表明,所建数学模型能够合理反映质点形核、晶粒生长和柱状→等轴晶转变物理过程,温度场、溶质场和微观组织形貌的模拟计算结果合理.自由枝晶生长过程的模拟结果表明,各向异性强度对枝晶生长和最终组织形貌具有重要影响:强各向异性趋于得到分支发达的树型结构,内部组织为取向平行排列规则的二次枝晶臂簇;而弱各向异性趋于得到表面凹凸不平的近似正八面体结构.模拟结果还证实枝晶内部存在小的孤立熔池,这有助于揭示微观组织中出现点偏析和微观缩松的根本原因.

难混溶合金凝固过程中宏观偏析形成的数值模拟

基于分离粒子法,建立了一个模拟难混溶合金凝固过程中第二相宏观偏析形成过程的模型,此模型考虑了实际凝固过程中的诸多因素,包括形核,扩散长大,Ostwald熟化,Brownian碰撞以及运动碰撞的影响,对Al-30％In合金的模拟结果与实验结果吻合较好,反映了所建立模型较好的理论预测能力。

稳态磁场下合金凝固过程微观偏析行为研究进展

磁场通过改变合金凝固过程中的过冷度、固态扩散、枝晶粗化、熔体对流及枝晶生长形态等因素影响铸件微观偏析的形成,改变铸件的力学性能。本文评述了磁场下微观偏析研究进展,分析了在磁场作用下影响微观偏析形成的主要因素的变化规律,总结了磁场下合金凝固过程形核与枝晶生长、溶质分配行为变化规律,讨论了磁场下合金凝固过程中微观偏析的形成机理。在经典微观偏析模型的基础上,构建了磁场下微观偏析模型,预测磁场下微观偏析变化趋势,为磁控偏析技术的应用奠定理论基础。

脉冲磁场对AZ91-0.4Ca镁合金凝固组织的影响

研究了在低压脉冲磁场作用下,脉冲电压、脉冲频率、浇注温度和模具预热温度对AZ91-0.4Ca镁合金凝固组织的影响。结果表明:在0~300 V脉冲电压下,随着电压的升高,合金的初生相逐渐细化;在脉冲频率为0~10 Hz内,随着脉冲频率的增加,合金的初生相先细化后粗化,在脉冲频率为5 Hz时,细化效果最好;经脉冲磁场处理后,合金的初生相随着浇注温度的升高逐渐细化,随着模具预热温度的升高逐渐粗化。

基于小试样的定向凝固镍基合金蠕变性能评估方法

在热处理态定向凝固镍基合金棒材上制取工字型非标准小试样和棒状蠕变标准试样,并进行了不同温度(800,850,900,980℃)下的应力松弛试验和不同应力(标准试样为250,350,450 MPa,小试样为250,350,400,450 MPa)下的蠕变持久试验,研究了标准试样和小试样的松弛蠕变和持久蠕变行为,建立了小试样松弛蠕变速率与标准试样持久寿命的关系。结果表明:小试样和标准试样的持久蠕变曲线均单调递增直至试样断裂,持久蠕变速率曲线均均呈“U”字型,两者的最小持久蠕变速率接近;小试样和标准试样的高温松弛蠕变曲线均单调递减,温度归一化后两者松弛蠕变速率分布在一条线上;持久蠕变和应力松弛试验后标准试样和小试样中γ′相均沿垂直于应力方向聚集粗化,属于N型筏化;标准试样持久寿命与小试样松弛蠕变速率存在线性关系,利用小试样松弛蠕变速率预测的持久寿命和标准试样实际持久寿命接近。

DZ411定向凝固镍基合金蠕变性能的快速评估方法

研究了预应变(0.5%,1.0%,1.5%,2.0%,2.5%)、加载应变速率(4.0×10^(-5),1.2×10^(-4),4.0×10^(-4)s^(-1))和连续温度应力松弛试验的初始温度(750,900℃)对DZ411定向凝固镍基合金应力松弛行为的影响;基于加工硬化和回复软化动态平衡的稳态变形,假设稳态松弛应变速率与传统蠕变持久试验的最小蠕变速率随应力的变化规律一致,通过短时应力松弛试验对最小蠕变速率进行预测,并进行验证。结果表明:试验合金在加工硬化和回复软化动态平衡时开始松弛,当预应变不低于1.0%时能快速达到稳态松弛;初始温度对稳态松弛行为的影响较小;加载应变速率会影响起始松弛应变速率,但对稳态松弛应变速率随应力变化的影响较小;通过稳态松弛应变速率主曲线可以预测不同温度、应力下的最小蠕变速率,蠕变持久试验结果均落在稳态松弛应变速率主曲线的99%可靠度曲线内。

冷却速率对Mg-Gd-Y-Zr合金凝固组织的影响(英文)

通过改变凝固过程中的冷却速率,研究了冷却速率对Mg-Gd-Y-Zr合金凝固组织与成分微观偏析的影响。随冷却速率提高,合金组织明显细化,初生相形貌由粗大等轴枝晶逐渐向细小树枝晶转变,合金凝固过程中形核率增加,合金晶粒尺寸逐渐减小;冷却速率的提高可以降低溶质元素的扩散速率,从而增加合金元素在枝晶干中的固溶度,减轻凝固过程中合金元素Gd与Y的微观偏析,同时使凝固过程中形成的共晶减少,共晶组织分布更加弥散、均匀。

定向凝固镍基高温合金CM247LC热处理工艺优化及持久性能研究

目的研究定向凝固镍基高温合金CM247LC的最优热处理工艺制度,通过优化热处理工艺提高合金的力学性能。方法分别用JMatPro热力学分析软件和金相法判断CM247LC合金的初熔温度点,并确定合金的热处理窗口温度;利用光学显微镜(OM)和能谱分析仪(EDS)观察合金经不同固溶处理后的微观组织和元素偏析情况;利用扫描电子显微镜(SEM)观察合金经不同时效处理及持久断裂后的微观组织形貌。结果CM247LC合金的初熔温度为1260℃,热处理窗口温度为1215-1255℃。根据热处理窗口温度,设计了6种固溶处理工艺,对比发现,经1228℃/2 h+1240℃/2 h+1255℃/2 h、AC固溶工艺处理后,合金的组织均匀化程度最高,元素偏析得到了显著改善,γ/γ′共晶的体积分数从铸态时的18.9%降至5.04%,确定此工艺为合金优化固溶处理工艺参数。合金经优化固溶处理后再经1080℃/4 h、AC高温时效处理和870℃/22 h、AC中温时效处理,析出的γ′相尺寸(337.3 nm)、体积分数(67.81%)适宜且立方度最高,确定此工艺为最优热处理工艺。经最优热处理工艺处理的合金在980℃/205 MPa下的持久寿命为162 h,相比于铸态和固溶态处理的合金持久寿命分别提高了87 h和45 h。结论通过优化固溶处理和时效处理,确定合金最优热处理工艺参数为:1228℃/2 h+1240℃/2 h+1255℃/2 h、AC(固溶处理)+1080℃/4 h、AC+870℃/22 h、AC(时效处理),经最优热处理工艺处理的合金持久寿命显著提高。

合金凝固组织微观模拟研究进展与应用

凝固组织是连接合金成分与性能的桥梁,准确认识和把握合金凝固微观组织的形成机理、主导因素与控制途径,对凝固组织与性能的优化具有重要意义。近年来凝固过程数值模拟取得了显著进展,元胞自动机(cellular automaton,CA)在合金凝固组织模拟研究方面展现出极大潜力。本文阐述了凝固组织计算中常见的形核模型与特点,对CA法枝晶生长模拟中的关键环节进行了分析和探讨,在此基础上,简要概括了铸造、定向凝固等相关领域凝固组织宏观-微观耦合模型的开发和应用现状,并对凝固组织模拟的发展趋势进行了展望。

合金凝固枝晶粗化的研究进展

枝晶是一种最常见的金属凝固显微组织。在大多数中低速的凝固过程中,枝晶组织发生粗化是一种不可避免的现象,对最终的凝固组织和产品性能产生重要影响。本文首先简要评述半个多世纪以来关于连续冷却和等温凝固过程中的枝晶粗化在理论研究、实验研究和数值模拟3方面的研究进展。随后,介绍作者课题组最近提出的一个包含凝固和熔化机制的元胞自动机(cellular automaton,CA)模型。采用该CA模型对SCNACE合金在固/液两相区等温过程中的枝晶粗化现象进行模拟研究,并对枝晶粗化过程中的凝固/熔化、界面几何形状和溶质扩散之间的复杂相互作用关系进行分析。

重力及微重力条件下Pd_(40)Ni_(40)P_(20)合金凝固组织中溶质原子的分布特征

研究了Ｐｄ４０Ｎｉ４０Ｐ２０合金在重力（１ｇ）及微重力（μｇ）条件下凝固组织中溶质原子的分布．与重力条件相比，微重力条件下凝固的样品组织中，初生相的Ｐ含量较低，而Ｐｄ的含量较高；共晶区域内的平均Ｐ含量较高而平均Ｐｄ含量较低．深入分析初生树枝晶一次枝晶间距Ｌ与冷却率υ以及固液界面前沿液相中溶质综合输运系数Ｄ的相互关系，发现地面条件下的固液界面前沿液相中溶质综合输运系数Ｄ１ｇ比空间的Ｄμｇ大１７倍．