细化剂对等轴枝晶生长形态和元素微观偏析的影响

在材料微观组织与性能的研究中,对等轴晶形核及生长过程的研究具有重要的科研价值和实用意义。除了通过数学模型进行理论研究,直接的观察极有必要。长期以来,由于高温熔体对可见光不透明,金属的凝固过程一直是一个"黑箱"。X射线同步辐射成像技术的发展使金属凝固过程的动态、连续观察成为可能。作为一种高亮度、高能量的X射线源,同步辐射X光可以穿透数毫米厚的铝熔体并形成清晰影像。近年来,本课题组针对合金凝固过程中的形态演化问题,在上海同步辐射光源开展了持续研究,本文介绍了其中部分研究结果,内容涉及凝固过程中等轴枝晶的形成和长大的动态观察,特别关注形核剂的添加对等轴枝晶生长形态和元素微观偏析的影响。

含有等轴枝晶的塑性大块金属玻璃复合材料

利用低压铸造/水冷铜模急冷成形装置,制备Zr56.2Ti13.8Nb5.0Cu6.9Ni5.6Be12.5大块金属玻璃(BMG)基体内生复合材料。铸态试样外观尺寸为50mm×50 mm×3 mm,具有bccβ-Zr固溶体/玻璃基体两相微观组织。其中,β相为细小等轴状树枝晶,体积分数约20%,平均成分为Zr64.66Ti15.40Nb15.13Cu2.90Ni1.90。DSC曲线显示,基体的玻璃转变温度(Tg)、晶化反应开始温度(Tx)和过冷液相区宽度(ΔTx)分别为619,664和45K。室温压缩时,复合材料断裂前的纯塑性应变达到7%,并具有1800 MPa的极限断裂强度。

基于自适应有限元枝晶自由生长相场模型模拟

利用相场模型模拟了过冷熔体中单个完整等轴枝晶在凝固过程中的生长和形貌演化,采用自适应有限元方法求解相场模型的控制方程,研究了在计算域较大、界面层厚度较薄的情况下各向异性和过冷度等物理参数对枝晶形状和生长的影响.结果表明:过冷度越大,枝晶间竞争越激烈,生长速度越慢;各向异性系数越大,枝晶沿选定方向生长的趋势越强,生长速度越快,二次枝晶间距越小,侧向分枝越发达.与有限差分方法(FDM)相比,采用自适应有限元法(AFM)在CPU计算时间和存储空间均降低了一个数量级,并且系统尺寸越大,自适应有限元法优势越明显,便于更大尺度多场耦合相场模型的数值模拟.通过比较均匀网格法和以往的晶体生长数值模拟实验,证明了自适应有限元法的准确性、高效性和鲁棒性.

中等厚度连铸板坯中心宏观偏析特性研究

精确了解连铸板坯偏析分布的特征,对连铸的工艺控制以及提高连铸坯检测效率有很好的指导价值。本文采用金属原位分析仪对中等厚度连铸板坯的宏观偏析特征进行了系统地研究。结果表明:铸坯中心偏析成岛状出现在中心线附近,且彼此孤立,中心成分起伏波动大;最大偏析的出现位置有一定的偶然性,有时偏离中心线;正偏析元素在整个中心等轴状晶区域内平均含量比较高,波动剧烈,但偏析程度变化在该区域没有明显的趋势;柱状晶组织向等轴状晶的过渡区为严重偏析的高发区域,不同枝晶的生长方式使该区域出现重偏析带。

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在传统纯物质相场模型的基础上 ,对其中的体系自由能进行重新构造 ,得到一个紧密联系相图且综合考虑了传热、溶质扩散、界面能各向异性和界面动力学各向异性等适用于二元合金枝晶生长的新相场模型 ,并利用该模型结合一种能显著提高计算效率的“临界面点相场大梯度计算域控制法” ,对Al 7Si合金在初始过冷度分别为 3 5K和 5 0K的过冷熔体中等轴枝晶生长进行了模拟 ,得到许多与试验观察相符合的结果 ;同时在枝晶生长过程中跟踪枝晶主轴尖端 ,获得其尖端半径和尖端速率 ,发现随着凝固时间的增加 ,逐渐收敛 ,直到枝晶达到稳定生长 ,而且通过简化KGT模型计算的枝晶尖端的生长速率与模拟值相近。另外 。

连铸板坯宏观偏析特性

应用金属原位分析仪,对铸坯的成分偏析状况进行了分析。铸坯试样为120 mm中等厚度连铸坯。分析结果发现:铸坯中心偏析成岛状出现在中心线附近,且彼此孤立,中心成分起伏波动大,最大偏析一般在中心位置;正偏析元素(k<1)在整个中心等轴枝晶区域内含量均比较高(即偏析值较大);柱状晶组织向等轴状晶的过渡区为严重偏析的高发区域。

超音频脉冲方波电流参数对2219铝合金焊缝组织和力学性能的影响

采用新型超快速变换HPVP-TIG电弧焊接工艺进行2219-T87高强铝合金焊接,研究脉冲电流特征参数对焊接接头组织和力学性能的影响.结果表明,加入超音频脉冲方波电流(UPSWC)作用后,铝合金焊缝区显微组织由粗大柱状晶转变为细小等轴晶,在焊缝区内除了等轴树枝晶外,还存在一种呈带状分布的极细小等轴非枝晶组织,同时焊缝熔合区宽度明显减小,焊接接头抗拉强度和断后伸长率显著提高.在一定范围内增加脉冲电流幅值,提高脉冲频率,减小占空比,可增强组织细化作用,提高接头力学性能.与未加入UPSWC作用相比,脉冲电流幅值100A,脉冲频率40kHz,占空比20%时,接头抗拉强度和断后伸长率分别提高约22%和111%.

脉冲电流频率对2219铝合金焊缝组织性能的影响

采用超快速变换复合高频脉冲方波变极性TIG电弧焊接方法进行2219-T87高强铝合金焊接,研究脉冲方波电流频率对焊缝组织性能的影响.结果表明,加入脉冲方波电流后,焊缝组织明显细化,焊缝区由粗大柱状晶向细小等轴晶转变.当脉冲电流频率达超音频段时,在焊缝中部还存在一种呈带状分布的细小等轴非枝晶组织,并与等轴树枝晶组织交替分布.与未加入脉冲电流相比,当脉冲电流频率为60kHz时,接头抗拉强度和断后伸长率分别增加约17.6%和66%.在一定范围内提高脉冲电流频率,可显著减小焊缝熔合区宽度,改善接头硬度分布,明显提高接头塑性,但对接头强度的影响作用并不明显.

流变成形浆料制备技术发展动向及其对策

出了流变成形对半固态浆料的质量要求 ,归纳了与流变成形相应的半固态浆料制备新工艺。指出半固态金属流变成形的关键技术为如何快速获得理想的等轴非枝晶半固态组织 ,固相率、晶粒形状、晶粒尺寸和粘合度是表征半固态浆料的主要指标。介绍了低转速输送管控制浇注制备半固态浆料的新工艺 ,半固态组织的主要指标可达到 :①形状因子 1.0 8～ 1.3 6;②固相率 2 0 %～ 60 % ;③晶粒平均直径 40～ 10 0 μm ;④固相体积粘合度小于 0 .2 2。介绍了等轴非枝晶形成机理的研究现状 ,指出微观组织数值模拟技术是研究等轴非枝晶形成机理的新趋势、新思路 ,采用元胞自动机模拟技术对其进行了初步研究。

合金凝固列状晶/等轴晶转变

在考虑合金组元局部线性叠加的基础上,结合计算相图,对多元合金凝固枝晶列状/等轴生长特性进行了系统的研究,通过考虑枝晶生长界面前沿的形核生长及竞争,发展了一个适用于多元合金凝固列状晶/等轴晶转变的理论模型,其与实验结果能很好的吻合。

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。