铝合金凝固过程柱状晶向等轴晶转变的研究

研究分析了不同保温温度、冷却水温等条件对铝合金等轴晶形核率、柱状晶形核率、柱状晶向等轴晶转变(CET)位置的影响规律。试验结果表明:降低保温温度、升高冷却水温,会增大等轴晶区的面积;降低冷却水温、降低保温温度会增大铸件柱状晶和等轴晶的形核率。还根据获得的CET位置实验结果,讨论了国内外文献提出的CET位置判据对本研究的适用性,并针对本文的实验条件,提出了具有更高预测精度的CET转变判据。

微区熔覆锡青铜凝固组织与热流密度的关系

金属表面熔覆处理是改善其耐磨性的有效手段,但熔覆过程温度变化较快,不易于直接测量。基于ANSYS模拟计算获得熔覆层温度变化,并进行组织分析,构建工艺-温度-与组织性能之间的关系规律。利用氩弧作为热源在铜基体上微区熔凝制备锡青铜熔覆层。通过金相显微镜、电子探针等对熔覆过程温度场不同位置处的微观组织观察分析,确定微观组织和热流密度之间的定性关系。通过对微小熔池内部温度分布的数值模拟和微观组织的观察分析,建立熔池内部晶体形态、大小、分布和过冷度与冷却速率的关系模型,重点对锡青铜熔覆层中柱状晶向等轴晶的转变进行研究。结果表明:晶粒尺寸、枝晶臂间距、析出相δ相和单质Pb大小与热流密度负相关,确定了柱状晶/等轴晶转变(CET转变)与热流密度的数学模型。通过对模拟参数的调整可将该模型扩展应用至不同材料微区熔覆制备工艺。

电磁搅拌对激光熔池熔体流速及其凝固组织影响研究

为了研究电磁搅拌对TA15钛合金激光熔池的影响,构建了一种三相三极旋转式电磁搅拌器作用下微小熔池内部的磁流体力学数学模型。运用该模型计算了不同激励电流情况下磁场中心处的磁感应强度和熔池内熔体周向流速,分析了其对熔池温度分布和组织形成的影响。并采用试验手段对分析计算结果进行了验证。结果表明:电磁力驱使熔体作周向运动,且随着远离磁场中心,洛伦兹力越大,周向流速越大。随着激励电流的增大,磁感应强度增强,熔质周向流速增大。流速加剧能够降低熔池内温度及凝固界面处的温度梯度,有利于等轴晶的增多。试验证明施加磁场后熔池顶部组织出现等轴晶,且随着远离磁场中心,熔池顶部的等轴晶数量逐渐增多,与计算结果的分析趋势相吻合。

凝固条件对铝硅合金凝固组织影响的研究

通过一种近定向凝固的实验装置研究了不同保温温度、冷却条件对铝合金等轴晶形核率、柱状晶形核率、柱状晶向等轴晶转变位置的影响规律,试验结果表明:降低保温温度水温,会增大等轴晶区的面积,并且会增大柱状晶和等轴晶的形核率;水冷和油冷比吹风冷却增大铸件柱状晶和等轴晶的形核率,但是会减少等轴晶区的面积,其中水冷更为明显一些.最后根据正交试验获得的CET位置实验结果,针对本文的实验条件,提出了具有一定预测精度的CET转变判据.

激光增材制造单晶高温合金研究进展

镍基单晶高温合金具有良好的高温强度、抗氧化和抗腐蚀性能、抗蠕变性能和组织稳定性,被广泛应用于制造航空发动机和燃气轮机叶片。由于其工作条件复杂恶劣,采用有效手段修复单晶叶片可以大大提高其使用寿命。综述了激光增材制造技术制备单晶高温合金的研究现状,介绍了激光增材制造技术制备单晶合金的理论基础,以及控制其单晶凝固组织的困难和不足,着重综述了激光增材制造技术控制单晶高温合金凝固制造的方法,主要包括通过激光参数调控温度梯度及凝固速率,以及通过基体晶体取向控制晶粒外延生长。最后,展望了该领域未来的主要研究方向和发展前景。

自然对流条件下柱状晶/等轴晶转变过程模拟

建立了耦合流场、浓度场、温度场的CA-LBM模型,采用该模型再现了合金在自然对流条件下柱状晶向等轴晶的转变过程,并与无对流条件下的凝固组织作对比,研究了自然对流对温度场和CET转变的影响。结果表明:自然对流促进了热的输运,加速了凝固进程,使柱状晶向等轴晶的转变提前,有细化晶粒的作用。

电磁搅拌对激光熔凝TA15钛合金熔池凝固研究

为了研究电磁搅拌作用对激光熔凝熔池凝固过程的影响,采用有限体积法对施加磁场前后激光单道动态熔凝TA15钛合金过程进行三维磁-热耦合数值模拟。研究了磁场对激光熔池流场、熔凝单道及其周边基材温度分布、固液界面处温度梯度和凝固速度的影响,并采用试验手段对模拟结果进行了验证。模拟结果表明:电磁搅拌作用使激光熔池最大流速增加了约20%,对流加剧促进了熔池热交换作用,使其最高温度下降,固液分界面处温度梯度大幅降低,凝固速度小幅增大,从而有利于熔池顶部组织发生柱状晶-等轴晶转变(CET)。试验结果显示施加磁场后熔凝层顶部有等轴晶组织生成,且随着远离磁场中心,电磁力增大,等轴晶区有扩大趋势。试验结果和模拟结果一致性较好。

横向静磁场对激光熔化增材制造Al-12%Si合金凝固组织的影响

利用送粉式激光熔化3D打印工艺,研究了外加横向稳恒磁场对3D打印Al-12%Si合金构件凝固组织的影响。结果表明,在有/无横向稳恒磁场下,激光熔化单道薄壁试样的宏观凝固组织未发生明显改变,其主要以白亮带(以α-Al相为主)和灰暗区(以Al-Si共晶相为主)为基本单元叠加构成。而微观组织分析表明,无磁场时灰暗区内的初生α-Al相呈柱状枝晶形态,施加了0.35 T横向稳恒磁场后,试样灰暗区内的初生α-Al相全部转变为等轴枝晶形态,且枝晶臂发达。基于热电磁力及其Hartman无量纲数(用于表征稳恒磁场对金属熔体流动抑制作用的参数)估算分析表明,0.35 T稳恒磁场下,作用于初生α-Al枝晶上的热电磁力可达10~5N/m^3量级;Hartman数远大于10,表明激光熔化微小金属熔池中强烈的Marigoni以及热溶质对流一定程度上被抑制。分析认为,稳恒磁场下凝固组织灰暗区内α-Al相柱状枝晶向等轴枝晶的转变是固相中热电磁力(约10~5N/m^3)对枝晶的破碎作用导致,而等轴枝晶发达的枝晶臂则是横向稳恒磁场抑制熔体流动的结果。

电磁搅拌对Q345D连铸坯凝固组织的影响

以五矿营口中板有限责任公司（简称五矿营钢）生产的Q345D钢种为研究对象,借助商业软件ProCAST,采用元胞自动机-有限元耦合方法对不同二冷区电磁搅拌强度下,Q345D钢连铸坯凝固组织进行了数值模拟研究。同时,与有无电磁搅拌条件下实际生产的连铸坯组织对比分析,证明模拟结果与试验结果吻合。研究结果表明：当频率为6 Hz,电磁搅拌强度从0 A增加到400 A时,连铸坯内部等轴晶比例逐渐增加,从19.99%增长到了41.39%;晶粒平均半径从1.73×10^-3m减小到1.68×10^-3m,晶粒平均尺寸从8.21×10^-6m^2减少到6.99×10^-6m^2,晶粒细化明显。与未施加电磁搅拌相比较,在电磁搅拌的作用下,随着电磁搅拌强度的增加,连铸坯质量有了显著的改善。