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中国铸造装备与技术 2017年第4期52卷 24-27页

作者：马晓龙潘龙伟宗喜梅牛晓峰张金山太原理工大学山西太原030024

应用CAFE法与实验相结合的方法,对Mg-Y-Zn-Mn-Ca合金凝固组织进行了模拟研究,确定出了该合金凝固组织模拟的数学模型,同时研究了形核参数(?T_(v,max)、?T_(v,σ)、n_(v,max))对合金凝固组织的影响.结果表明,?T_(v,max)越大,n_(v,max)越... 详细信息

应用CAFE法与实验相结合的方法,对Mg-Y-Zn-Mn-Ca合金凝固组织进行了模拟研究,确定出了该合金凝固组织模拟的数学模型,同时研究了形核参数(?T_(v,max)、?T_(v,σ)、n_(v,max))对合金凝固组织的影响.结果表明,?T_(v,max)越大,n_(v,max)越小,晶粒生长越粗大,?T_(v,σ)主要控制晶粒的大小区域,随着其增大,大晶粒区域增加.当形核参数分别为?T_(v,max)=10 K、?T_(v,σ)=1 K、n_(v,max)=2×1013 m-3时,模拟得到的凝固组织几乎全部为细小的等轴晶,晶粒平均尺寸为约32.25μm,实验中得到的晶粒平均尺寸约为29.76μm.计算得到的凝固组织与实验结果基本吻合.

关键词： CAFE法形核参数 Mg-Y-Zn-Mn-Ca合金凝固组织

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冷却强度对大尺寸钛合金var铸锭凝固组织演化行为的影响

冷却强度对大尺寸钛合金var铸锭凝固组织演化行为的影响

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第十二届中国金属学会青年学术年会暨首届〝碳中和〞冶金青年科学家沙龙

作者：熊永涛刘中秋李宝宽东北大学冶金学院

真空电弧重熔(var)技术具有熔炼速度快、工艺自动化程度高、可用于生产大型铸锭等优点,被广泛应用于制备镍基高温合金、难熔性钛及锆合金等。近年来,新型装备的发展不仅对铸锭的冶金质量提出了更高的要求,同时对大尺寸铸锭的需求量也逐... 详细信息

真空电弧重熔(var)技术具有熔炼速度快、工艺自动化程度高、可用于生产大型铸锭等优点,被广泛应用于制备镍基高温合金、难熔性钛及锆合金等。近年来,新型装备的发展不仅对铸锭的冶金质量提出了更高的要求,同时对大尺寸铸锭的需求量也逐步增加。然而铸锭尺寸的大型化必然会加剧铸锭内部各合金元素的偏析趋势以及凝固组织的非均匀化程度,给产品带来各种冶金缺陷问题,因此迫切需要对var过程中大尺寸铸锭凝固组织演化行为进行系统性的研究。基于此,本研究通过计算机模拟技术来预测var过程铸锭内温度以及凝固组织演变过程,通过实验对比得到适用于var工艺条件下的晶粒形核参数,重点分析冷却强度这一重要参数对凝固过程的影响规律和作用机理。利用元胞自动机(CA)耦合有限元模型(FE)构建了包含整个var过程的热流传输模型以及描述枝晶生长行为的三维凝固组织计算模型。通过该模型模拟了从起弧阶段到热封顶结束的整个熔炼过程中的凝固组织演化过程以及相关的凝固参数变化关系。主要研究结果有:(1)当形核过冷度ΔTmax低于0.5 K时,铸锭中心会出现大面积等轴晶形核,进一步增加到1.0 K后,晶粒数量由2.868×106减小到8.0×105,晶粒平均面积由0.287 mm2增加到0.512 mm2。即增加形核过冷度,会降低铸锭内部形核驱动力,导致铸锭心部的形核数目减少,柱状晶尖端由于缺少晶粒的阻挡得到迅速生长,晶粒平均尺寸增加。(2)当形核密度nmax设置为5×109 m-3时,铸锭内柱状晶组织占比较高,将其增加到1×1011 m-3,在相同过冷度条件下,形核数量大幅增加,铸锭纵截面的晶粒数由4.220×105增加到5.146×106,晶粒平均面积由0.969 mm2减小到0.0796 mm2。(3)结合形核参数对凝固过程晶粒结构的影响,并与实验结果进行对比分析,确定适用于var工艺条件下的形核参数:?Tmax=0.1 K,nmax=5×1010 m-3,?Tσ=0.1 K。通过模拟得到的钛合金凝固组织形态及枝晶生长方向与实验结果呈现出高度一致性,即对应于熔炼的不同阶段凝固组织可分为四种结构:表面细晶区、底部垂直柱状晶区、中上部柱状晶区以及中心等轴晶区。(4)在熔炼初始阶段,铸锭与结晶器之间以底部换热为主,侧壁冷却条件的变化对温度场影响较小。当熔炼过程达到稳定时,对比空冷边界条件可以发现,在结晶器内通入冷却介质能够促进侧壁的散热,因此随着氦冷强度的增加,熔池逐渐变浅,糊状区面积逐渐减小。(5)与空冷状态下的凝固组织相比,通入氦气冷却后,在壁面的强烈冷却作用下铸锭中心的等轴晶区面积逐渐减小,结晶器侧壁附近的柱状晶生长得到加强,侧壁附近的柱状晶逐渐趋于小角度生长。(6)铸锭下部在氦冷条件下的SDAS要明显小于空冷条件,并且随着氦冷强度增加,SDAS有持续的下降趋势,而在铸锭中部则呈现出相反的变化趋势。定量数据研究表明,将氦冷强度增加到800 W/m2?K-1,铸锭侧壁及心部的SDAS分别减小了62.14μm和24.65μm,说明冷却条件对侧壁位置SDAS的影响明显大于铸锭心部。

关键词：真空电弧重熔凝固组织二次枝晶臂间距冷却条件形核参数

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基于CAFE法对连铸坯凝固组织模拟及影响因素研究

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铸造技术 2017年第11期38卷 2683-2686页

作者：温巨文朱立光张元杰杨改彦华北理工大学冶金与能源学院河北省高品质钢连铸工程技术研究中心河北唐山063009

应用CAFE法对中碳45钢的凝固组织进行了模拟研究。分别对连铸工艺参数和模拟凝固组织的形核参数进行了分析,其中工艺参数包括浇注温度和拉坯速度,形核参数包括平均形核过冷度和最大形核密度。结果表明,工艺参数和形核参数均对凝固组织... 详细信息

应用CAFE法对中碳45钢的凝固组织进行了模拟研究。分别对连铸工艺参数和模拟凝固组织的形核参数进行了分析,其中工艺参数包括浇注温度和拉坯速度,形核参数包括平均形核过冷度和最大形核密度。结果表明,工艺参数和形核参数均对凝固组织有影响;平均形核过冷度的增大和浇注温度的提高,会降低凝固组织中的等轴晶率;最大形核密度和拉坯速度的增大,使得凝固组织中等轴晶率减少。

关键词：柱状晶等轴晶 CAFE 形核参数工艺参数

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运用CAFE法对Mg-Y-Zn-Mn-Ca合金凝固组织的模拟

运用CAFE法对Mg-Y-Zn-Mn-Ca合金凝固组织的模拟

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作者：马晓龙太原理工大学

学位级别：硕士

合金的凝固过程决定着铸件凝固组织及其性能,因此了解和控制合金的凝固过程可以有效的改善铸件的凝固组织和宏观缺陷,从而提高合金的性能。合金的凝固过程是一个复杂且不透明的过程,要精确分析凝固过程非常困难,过去一般采用实验方法根... 详细信息

合金的凝固过程决定着铸件凝固组织及其性能,因此了解和控制合金的凝固过程可以有效的改善铸件的凝固组织和宏观缺陷,从而提高合金的性能。合金的凝固过程是一个复杂且不透明的过程,要精确分析凝固过程非常困难,过去一般采用实验方法根据经验来判定,既浪费了大量的人力和财力,同时也增加了实验的周期,因此计算机技术在合金凝固过程中的模拟得到了充分的发展。通过计算机可以模拟计算铸件形成过程中各个场的变化,更加直观的分析合金的凝固过程,得到更合理的工艺参数,降低了成本与实验周期。国内外运用CAFE法对不同的钢种、铝合金以及少部分镁合金进行了凝固组织的模拟研究,得到的结果与实验结果吻合良好。但目前对Mg-Y-Zn-Mn-Ca合金凝固组织模拟研究报道甚少。因此本文运用Pro CAST软件及CAFE法,选取适合该模型的界面换热系数和边界条件,模拟了 Mg-Y-Zn-Mn-Ca合金常规重力铸造凝固过程,并与实际实验相结合。研究了合金凝固过程中的温度场和流场,分析了合金的凝固规律。模拟了合金凝固过程中的缩孔缩松,通过设计合理的铸型和选择合适的温度来改善合金的宏观缺陷。应用CAFE法研究了 Mg-Y-Zn-Mn-Ca合金凝固过程中的凝固组织,并与实验相结合,确定出了适合该模型模拟的形核参数,同时研究了形核参数、浇注温度、模具材料和Ca元素对合金凝固组织的影响。研究结果表明:当合金浇注温度为730℃,铸型冒口高度为40 mm、顶部内径为56 mm时,得到的铸件内部的缩孔缩松得到有效的改善,提高了铸件的性能。形核参数分别为AT=10K、ΔT=1K、n=2×1013mn-3时,模拟得到的晶粒尺寸约为32.25 μm,实验得到的晶粒尺寸约为29.76μm,实验结果与模拟结果基本吻合。形核参数对合金的凝固组织有着重要的影响,随着Δ的增加,n的减小,晶粒尺寸明显增大,随着ΔT。的增加,大晶粒区域明显增加。随着浇注温度的升高,合金凝固组织中的柱状晶区域增大,晶粒的尺寸明显增加。使用冷却能力强的45#钢模可以得到均匀且细小的等轴晶粒,当使用砂型模具时,晶粒的尺寸明显增加。添加Ca元素有效细化了合金的凝固组织,它既增加了异质形核的形核核心,也减小了枝晶生长动力学系数。

关键词： CAFE法温度场宏观缺陷形核参数凝固组织

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