基于CAFE模拟Cu-3Ni-0.96Si-0.15Mg合金的铸锭凝固组织演变

采用ProCast软件中CAFE(元胞自动机有限元法)模型模拟计算了Cu-3Ni-0.96Si-0.15Mg铸锭凝固过程中枝晶生长组织演变过程,并将预测的凝固组织与实验微观组织进行了对比,验证了模型的准确性。结果表明,模拟预测的凝固组织与实验基本一致,说明该模型可以很好地模拟实际凝固组织。然后,利用此模型模拟研究了过热度以及形核密度对铸锭凝固组织的影响。结果表明:增大形核率以及适当降低浇注温度可以明显细化晶粒,提高等轴晶区的占比,当过热度为20℃,最大形核密度为1×10^(9)m^(-3)时,铸锭凝固组织几乎为等轴晶组织,其等轴晶区占比达到92.34%。

连铸工艺参数对高碳钢小方坯凝固组织的影响

通过CAFE模型,对SWRH82B钢小方坯的凝固组织进行数值模拟,研究了中间包钢水过热度、连铸坯拉速、二冷比水量对铸坯凝固组织的影响规律。结果表明,钢液过热度从5℃增加到45℃,铸坯的等轴晶率从39.7%不断减小到23.1%,晶粒尺寸变大;过热度为25~35℃时,等轴晶率和晶粒尺寸变化小。二冷比水量从0.5 L/kg增加到0.8 L/kg时,铸坯等轴晶率逐渐从34.4%减小到29.2%,但是晶粒尺寸不断变大。比水量达到0.8 L/kg后,继续增加将不再减小铸坯等轴晶率,但是会细化晶粒。拉速从1.25 m/min提高到2.25 m/min,铸坯等轴晶率由29.1%不断增大到38.3%,晶粒也随之不断细化。

电渣重熔工艺对GCr15轴承钢凝固组织的影响

基于CAFE法(元胞自动机-有限元模型),采用ProCAST对电渣重熔方法生产的GCr15轴承钢钢锭的微观组织进行数值模拟,得到了电渣钢锭的晶粒生长过程、熔池形状变化和晶区分布情况,并分析了不同的工艺参数对熔池形状以及凝固组织的影响。熔池深度随着钢锭固相区的扩展而变得越来越深,当钢锭长到一定高度,熔池深度和晶粒生长方向均不再变化。研究结果表明:结晶器冷却强度越大,熔池温度越低,熔池深度与钢锭半径之比h/R越小,而晶粒平均尺寸增大且柱状晶越多;渣池温度越高,h/R越大,晶粒平均尺寸增大;重熔速度是最显著的影响因素,熔速增大,h/R显著增大,柱状晶尺寸增大且数量增多。经过对电渣锭的凝固组织观察试验发现,模拟结果与试验结果有较好的一致性。

过热度、传热系数以及高斯分布参数对Ag-28Cu-2Ni合金凝固组织的影响

基于CAFE法(元胞自动机CA-有限元FE耦合模型),借助Procast软件对水冷铜模浇铸条件下合金的三维微观组织结构进行模拟,模拟结果与实验结果一致。此外,研究了工艺参数(过热度和传热系数)以及高斯分布参数(平均过冷度、成核密度和过冷度标准方差)对合金凝固组织的影响。模拟结果表明,随着过热度的增大,柱状晶比例逐渐增大,细小柱状晶的晶粒尺寸变大,且CET(柱状晶向等轴晶转变)转化位置向合金铸件内部推移。水冷条件下(传热系数h=5000W/(m^2·K)),Ag-28Cu-2Ni合金凝固组织几乎全为柱状晶,而且晶粒粗大。空冷条件下(传热系数h=2000W/(m2·K)),柱状晶区缩小,等轴晶区占主要部分。缓冷条件下(传热系数h=10W/(m2·K)),铸件的凝固组织几乎全为等轴晶。此外,平均过冷度越高,柱状枝晶区域越大。最大成核密度越大,晶粒尺寸越小。随着标准偏差增大,晶粒分布更加离散化,且晶粒尺寸分布更加均匀。

真空自耗电弧熔炼TC4铸锭的凝固组织和缩松缩孔的模拟

建立三维轴对称有限元模型,采用移动边界法模拟了真空自耗电弧熔炼(VAR)TC4合金铸锭凝固过程的温度场分布,并基于元胞自动机和有限元耦合法(CAFE法)计算了VAR过程中TC4铸锭的凝固组织、缩松和缩孔的形成。结果表明,模拟结果与试验观察在晶粒结构、柱状晶生长方向,柱状晶-等轴晶转变及缩松和缩孔等方面相符合。

12Cr2Mo1R钢水冷大扁锭凝固过程Z向晶粒分布

采用CAFE模型计算了12Cr2M01R钢铸锭凝固过程厚度方向（Z向）晶粒分布状况，考察了冷却强度和变质处理对晶粒分布状况的影响。结果表明：50-800W／（m^2·K）冷却强度范围内，增加冷却强度有利于柱状晶的生长；冷却强度大于800W／（m^2·K）对柱状晶对的生长促进作用明显减弱；冷却强度对中心等轴晶区晶粒分布基本无影响。通过添加异质形核剂变质处理的方法，不仅能抑制柱状晶的生长，还能细化中心等轴晶区晶粒。

功率超声与挤压铸造耦合工艺对Al-5.0Cu合金凝固组织影响的数值模拟与试验研究

采用挤压铸造和功率超声耦合的方式处理Al-5.0Cu合金熔体,利用光学显微镜观察不同工艺参数下的Al-5.0Cu合金的微观组织。使用反分析法计算出耦合作用下铸件-模具的界面换热系数曲线,在此基础上结合CAFE宏-微观耦合模型模拟出不同工艺下Al-5.0Cu合金的凝固组织,并与宏观腐蚀结果进行对比,试验同时测量了熔体内部不同位置的温度变化。通过数值模拟和试验验证相结合的方式,对比研究了不同工艺对Al-5.0Cu合金凝固组织的影响。模拟和试验结果均表明,功率超声和挤压铸造的耦合作用较于单一外场作用能进一步改善合金的凝固组织,同时可以完全消除铸造缺陷;耦合作用还可以使得熔体内部温度分布更加均匀,显著细化Al-5.0Cu合金的初生晶粒,有利于得到均匀、细小微观组织。该结果为细化Al-5.0Cu合金的组织,提高合金的力学性能提供了新的思路。

Mg-14.61Gd合金的定向凝固组织及生长取向

采用电子背散射衍射(EBSD)和元胞自动机有限元(CAFE)方法研究了Mg-14.61Gd合金在温度梯度G=30 K/mm和抽拉速率v=10～200μm/s条件下的定向凝固组织和生长取向。研究发现,Mg-14.61Gd合金纵向凝固组织呈单一方向的α-Mg枝晶生长形貌,随着v的增加,枝晶界面生长方式由凸前生长向平齐生长转变,枝晶间距减小。当v从10μm/s增至100μm/s时,α-Mg枝晶的生长取向由<1120>和<1010>转变为<1120>,其与凝固热流的偏离角(θ)由11.0°减小至5.7°,热流是影响生长取向的主导因素;当v从100μm/s增至200μm/s时,α-Mg枝晶的生长取向仍为<1120>,但θ却逐渐增大至10.6°,此时,晶体的各向异性占主导。研究表明,CAFE模型可以合理预测定向凝固镁合金的晶粒组织和生长取向。