TiAl合金枝晶凝固的相场法模拟

作     者：胡春青 

作者单位：沈阳理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张玉妥

授予年度：2011年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：Ti-45Al合金 相场法 自由能 枝晶生长 相图计算 

摘      要：TiA1合金具有优良的高温强度、抗蠕变和抗氧化性能,而且以密度低、模量高等优点而倍受重视,成为制造关键高温部件,如汽车发动机排气阀和飞机发动机叶片等的候选材料。TiAl合金的性能及铸件质量与凝固时枝晶形貌密切相关,即使通过后序的热处理来改变组织,枝晶形貌的影响也难以完全消失。所以,掌握和控制凝固过程中的枝晶生长是获得理想产品的关键。 计算机模拟作为继理论和实验之外的第三种有效手段和方法,在材料科学与工程中的到了广泛的应用。相场法是用于描述复杂相界面演变行为的强有力的数值计算方法,它不需要跟踪复杂的液/固界面,在整个求解域中采用相同的数值计算方法,就可实现模拟过冷熔体凝固过程中的枝晶生长。本文采用相场法模拟了Ti-45Al（at%）合金枝晶凝固过程,主要内容如下: 1.构造了Ti-45Al合金自由能函数:利用热力学软件Thermo-Calc计算了Ti-45Al合金热力学参数与Ti-Al二元合金相图,并通过计算相图的热力学模型构造了Ti-45Al合金液相与固相自由能密度函数,这是相场模型的重要组成部分。 2.建立了Ti-45Al合金凝固相场模型:通常的相场模型为理想溶液或稀释溶液模型,而Ti-45Al合金其溶液模型为准亚规则溶液,已有的相场模型不能直接应用于Ti-45Al合金。根据计算得到的Ti-45Al自由能函数,基于自由能泛函建立了Ti-45Al合金等温凝固过程枝晶生长的相场模型。 3.模拟了Ti-45Al合金等温凝固过程枝晶生长:对相场控制方程进行离散,用VC++编程,OpenDx可视化处理,耦合相场和溶质场,模拟了Ti-45Al合金枝晶凝固过程,再现了Ti-45Al合金枝晶生长演化和溶质分布与偏析规律。 4.相场参数对Ti-45Al合金枝晶形貌的影响:研究了各向异性、扰动对枝晶形貌的影响。模拟结果表明:晶体的各向异性影响到枝晶主干的形态,而扰动直接影响二次枝晶臂的形成。