分类： 材料科学 >> 材料科学（综合） 提交时间： 2023-03-19 合作期刊: 《金属学报》
摘要： 考虑了液态金属冷却定向凝固过程中动态对流边界, 建立了高温合金铸件温度场数学模型, 采用三维元胞自动机(cellular automaton, CA)方法和KGT生长模型, 建立了镍基高温合金凝固过程晶粒形核及生长的数学模型. 采用宏观模型与微观模型双向同步耦合, 实现了温度场和晶粒组织的数值模拟. 进行了浇注实验, 用冷却曲线和晶粒形貌验证了数学模型的准确性. 对液态金属冷却定向凝固规律的研究表明, 抽拉速率不仅对糊状区形状有重要影响, 而且对晶粒的平行度以及枝晶组织的细密性也有很大的影响. 抽拉速率过小时, 糊状区上凸, 晶粒组织易发散; 抽拉速率过大时, 糊状区下凹, 晶粒组织汇聚, 同时造成枝晶组织的粗化; 适当的抽拉速率下能获得平坦的糊状区, 提高晶粒的平行度, 细化枝晶组织.
分类： 材料科学 >> 材料科学（综合） 提交时间： 2023-03-19 合作期刊: 《金属学报》
摘要： 建立了Ti6Al4V合金铸件/铸型界面换热系数(h)的一维反算模型, 从数学及数值模拟的角度研究了型壳热物性参数和热电偶定位等参数对h 计算的影响, 分析了不同参数影响的不同特点, 据此对型壳热物性参数和热电偶定位位置等进行了修正, 提高了h 反算精度. 修正计算参数后的反算结果表明, Ti6Al4V合金熔模铸造条件下, h 的变化可分为4 个阶段: (1)铸件为液态, h 维持约440 W/(m2·K); (2) 铸件表面生成完整凝固层, 此阶段h 下降近60%; (3) 凝固层不断增厚至铸件凝固,此阶段h 下降接近峰值的20%; (4) 铸件凝固后, h 随温度缓慢下降. 在三维模型中对反算得到的h 进行了验证, 得到的模拟温度与实测温度基本吻合, 表明反算得到的h 较为准确, 可以应用于Ti6Al4V合金熔模铸造过程的数值模拟中.
分类： 材料科学 >> 材料科学（综合） 提交时间： 2023-03-19 合作期刊: 《金属学报》
摘要： 针对铝合金砂型铸造较低冷速特点, 通过实测和分析不同凝固条件下的冷却曲线, 建立了适用于铝合金形核密度随最大形核过冷度呈指数性变化的形核函数. 通过与Pandat 软件热力学、动力学、平衡相图数据库相耦合, 并利用空间坐标变化等算法, 建立了适用于三元铝合金二维、三维枝晶生长的CA模型. 在该模型中, 同时考虑了溶质扩散、成分过冷、曲率过冷、晶体择优取向以及不同组元之间相互作用等重要因素的影响. 利用建立的形核和生长模型, 模拟了Al-7Si-0.36Mg合金在不同凝固条件下的二维枝晶演化及形貌特征, 描述了溶质组元的分布特征以及定量地预测了二次枝晶臂间距的变化, 并与实验结果进行了对比. 三维枝晶的模拟结果有效反映了枝晶空间结构复杂性和多样性, 并与实验结果吻合良好.
分类： 材料科学 >> 材料科学（综合） 提交时间： 2023-03-19 合作期刊: 《金属学报》
摘要： 建立了宽弦叶片定向凝固过程的宏微观数理模型, 计算结果与实验结果吻合, 铸件表面大部分晶粒的位置和形状一一对应. 通过数值模拟预测了不同引晶方式和拉速下温度场和晶粒组织的演变过程, 研究了2 种因素的影响规律. 通过建立糊状区形态和晶粒数的数学判据, 实现了温度场和微观组织优劣的定量评价, 基于判据揭示了工艺参数对糊状区和晶粒的影响机理, 从而对工艺进行了定量的优化. 研究表明, 采用叶身正下方的引晶方式, 有利于增加柱状晶数目, 提高晶粒平行度, 防止横向晶界生成, 同时还可以在糊状区形状保持平直的前提下使用较高拉速, 从而避免晶粒粗化, 并提高生产率.
分类： 材料科学 >> 材料科学（综合） 提交时间： 2016-11-04 合作期刊: 《金属学报》
摘要： 现代航空发动机及工业燃气轮机的快速发展对单晶叶片的性能提出了更高的要求。选晶器是单晶叶片铸件的重要部件，其关键的结构包括引晶段和螺旋段。本研究从实验及模拟角度对比研究了引晶段的晶粒密度和取向随晶粒生长高度（研究位置距试样底面的高度）的变化规律，并给出了引晶段参数的设计准则。采用EBSD晶体取向成像技术获得了引晶段截面的晶粒形貌和取向极图；采用CA-FD方法，针对单晶定向凝固过程进行数理建模与仿真，实现了凝固过程的三维宏观温度场与微观组织生长的模拟计算。从宏、微观角度解释了定向凝固过程的晶粒竞争演化行为，揭示了引晶段晶粒竞争生长的本质规律，为引晶段设计提供理论支持。
分类： 材料科学 >> 材料科学（综合） 提交时间： 2016-11-04 合作期刊: 《金属学报》
摘要： 螺旋选晶器是生产单晶叶片及确保晶体完整性的关键部件，其主要结构包括引晶段和螺旋段。本工作研究了螺旋段在选晶过程中的作用。基于金相及EBSD实验结果，指出在晶粒竞争生长过程中，晶粒二次臂取向和初始位置分布特征综合决定了晶粒的竞争优势。总结提出了选晶过程的两个几何限制机理: 水平方向的二次臂竞争促进作用和竖直方向的一次臂限制作用。两种模型成功解释了螺旋段对选晶过程的作用。采用修正的元胞自动机(MCA)技术，对螺旋段的晶粒竞争生长过程进行了模拟。研究了晶粒结构及晶体取向随定向凝固过程的变化规律，并与实验结果进行了对比，两者吻合较好。基于模拟与实验的研究，获得了螺旋参数对选晶行为的影响规律及作用机理，提出了选晶器螺旋段的设计准则。
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