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熔体处理对Ti-48Al-2Cr-2Nb合金凝固组织的影响

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特种铸造及有色合金 2014年第3期34卷 243-246页

作者：杨光寇宏超王军李金山傅恒志西北工业大学凝固技术国家重点实验室

在1480～1510℃对Ti-48A1-2Cr-2Nb合金分别进行了0、10、15、20次循环处理，研究了该合金凝固组织的演变规律。结果表明，未处理的合金组织由粗大的片层团组成；随着循环处理次数的增加，Ti-48A1-2Cr-2Nb合金由粗大的片层团向细小的等... 详细信息

在1480～1510℃对Ti-48A1-2Cr-2Nb合金分别进行了0、10、15、20次循环处理，研究了该合金凝固组织的演变规律。结果表明，未处理的合金组织由粗大的片层团组成；随着循环处理次数的增加，Ti-48A1-2Cr-2Nb合金由粗大的片层团向细小的等轴晶转变，且分布更加均匀。分析表明，在循环处理的快速加热阶段，初生晶粒发生了重熔，破碎的枝晶与“母体”分离，可在后续的冷却阶段作为形核质点。与此同时，由于电磁搅拌作用，溶质场和温度场分布均匀，抑制了成分过冷的产生，从而起到了细化晶粒的效果。

关键词： Ti-48Al-2Cr-2Nb合金循环处理枝晶重熔电磁搅拌晶粒细化

体积过冷度对铜基合金非平衡凝固组织演化及凝固行为影响研究

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体积过冷度对铜基合金非平衡凝固组织演化及凝固行为影响研究

作者：唐成中北大学

学位级别：硕士

采用熔融玻璃净化与循环过热相结合的技术,在CuNi合金的基础上,通过提升Cu含量及添加微量Co元素研究了Cu-Ni合金及Cu-Ni-Co合金微观组织形貌随过冷度的演化历程。结合BCT模型分析了过冷合金熔体中枝晶生长的控制因素,并确认了不同过冷... 详细信息

采用熔融玻璃净化与循环过热相结合的技术,在CuNi合金的基础上,通过提升Cu含量及添加微量Co元素研究了Cu-Ni合金及Cu-Ni-Co合金微观组织形貌随过冷度的演化历程。结合BCT模型分析了过冷合金熔体中枝晶生长的控制因素,并确认了不同过冷度下的晶粒细化机理。最后,利用红外测温和高速摄影研究了Cu-Ni合金及Cu-Ni-Co合金的凝固行为。同时,还研究了Co元素及Cu含量提升对Cu-Ni合金微观组织、特征过冷度、细化的临界过冷度、显微硬度、凝固速率等的影响。Cu-Ni合金与Cu-Ni-Co合金微观组织随过冷度变化具有一样的演化历程,并且在小过冷和大过冷情况下都出现了细化组织的转变过程。合金微观组织形貌在小过冷度下表现为粗大枝晶向细化等轴晶组织的转变,细化组织中存在大量高强度织构,这符合高热效应驱使组织枝晶重熔碎断而细化的特点。合金在大过冷下则表现为定向细枝晶向等轴晶的形貌转变,细化组织中大量孪晶结构及高比例大角度晶界等特征则与再结晶致使组织细化一致。并且再结晶的驱动力源自合金熔体快速凝固时,强烈凝固收缩和热应变诱导的残余液相作用在枝晶骨架上产生的应力和应变。这为解决不同过冷度下合金细化机理的争论提供了有力的实验证据。结合BCT模型与金相分析,研究了合金微观组织转变内在因素。小过冷情况下,溶质扩散主导枝晶生长,但过冷熔体被限制在较窄的范围内生长,从而Cu-Ni合金形成粗大树枝晶形貌。随着过冷度增加,枝晶生长逐步受溶质扩散和热扩散的共同控制,枝晶重熔效应也逐渐增强。较小过冷度的过冷熔体在快速凝固时形成的枝晶被重熔形成众多结晶种子,合金组织得以细化。在中等过冷度范围内,枝晶在热扩散的方向上生长而呈现定向特性,并在枝晶骨架上产生应力积累。而在大过冷度时,热扩散主导定向生长的枝晶发生应力崩碎,枝晶碎片中残存的应变能为组织发生再结晶提供驱动力,组织因再结晶而细化。Cu-Ni及Cu-Ni-Co合金熔体在快速凝固时都只发生了一次再辉现象。随过冷度增加,再辉度近似以线性的形式上升,并且合金熔体凝固前沿出现“小角度平面-尖锐锋面-光滑弧形”的转变过程。另外,合金的凝固速率与过冷度满足幂函数关系。Cu元素含量提升及Co元素添加对Cu-Ni合金微观组织形貌转变几乎没什么影响。但是随Cu含量的提升,Cu-Ni合金大过冷细化的临界过冷度会减小,而对小过冷合金细化的过冷度影响不大。Co元素的添加令Cu-Ni-Co合金微观组织转变的特征过冷度提升,却对临界过冷度影响较小。同时,加入Co元素会使合金的显微硬度提升约5%,而增加Cu元素分数反而会降低合金的显微硬度。此外,Cu元素和Co元素增加都会降低合金的凝固速率,也会削弱合金的再辉效应。

关键词：过冷度微观组织晶粒细化枝晶重熔再结晶凝固速率

自然对流下合金凝固过程的LBM-CA模拟研究

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自然对流下合金凝固过程的LBM-CA模拟研究

作者：杨莹莹河北工业大学

学位级别：硕士

自然对流对合金凝固过程的影响是当前凝固领域数值模拟研究的前沿问题。本论文通过建立格子玻尔兹曼-元胞自动机(LBM-CA)模型,将单相固溶体合金凝固过程的流场、温度场以及溶质场与微观组织的形成耦合起来,研究自然对流作用下的合金凝... 详细信息

自然对流对合金凝固过程的影响是当前凝固领域数值模拟研究的前沿问题。本论文通过建立格子玻尔兹曼-元胞自动机(LBM-CA)模型,将单相固溶体合金凝固过程的流场、温度场以及溶质场与微观组织的形成耦合起来,研究自然对流作用下的合金凝固过程。所完成的主要研究内容有:首先建立了LBM-CA模型,能够计算单相固溶体合金凝固过程的流场、温度场、溶质场及微观组织的形成过程。并采用两种方案对所建立的模型进行正确性验证:(1)计算封闭方腔自然对流经典算例,证明了本模型中的LBM模块计算流场的正确性;(2)计算单枝晶在自然对流条件下的生长过程,将数值解分别与Kurz的边界层理论溶质浓度、枝晶尖端速度的LGK解析解进行对比,验证了本模型的正确性。在上述基础上,首先应用本模型对自然对流条件下四个晶粒包围一个晶粒以及全域等轴晶凝固过程特征进行了计算研究。计算结果表明,对于少量晶粒,自然对流显著改变了枝晶形貌,迎流处枝晶生长优于顺流处;对于大量晶粒,自然对流起到了均匀化溶质的作用。接着,应用本模型对有、无对流作用下的铸锭CET(柱状晶-等轴晶转化)过程进行了模拟研究。再现了柱状晶向等轴晶的转变过程,对比分析了自然对流对CET转化和晶粒组织的影响,以及凝固过程中自然对流强度的变化。结果表明:(1)自然对流使CET转化位置提前,并有细化晶粒的作用,另外自然对流的强度变化是先增大后减小,直至消失。(2)自然对流促使铸锭中心区域大量晶核同时形成,而非逐层形成。(3)与不考虑自然对流的铸锭温度场相比较,自然对流显著改变了温度场的分布形态,这将会促进当前凝固数值模拟商品化软件温度场计算方法的升级和进步。将微观组织与实验结果进行对比,发现模拟形貌和成分偏析与实验结果较符合。最后,应用本模型研究了凝固过程的枝晶重熔现象,发现多次重熔具有抑制柱状晶生长,使等轴晶增值并细化的作用。

关键词：单相固溶体合金凝固过程自然对流 LBM-CA模型枝晶重熔

体积深过冷Ni-Cu-Co三元合金熔体非平衡凝固组织转变机制研究

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体积深过冷Ni-Cu-Co三元合金熔体非平衡凝固组织转变机制研究

作者：安宇康中北大学

学位级别：硕士

采用熔融玻璃净化结合循环过热技术,在Ni-Cu体系下,通过添加Co元素研究了Ni-Cu-Co合金不同过冷度下的微观组织演化。从理论结合实验的角度系统的解释了合金在不同过冷范围内的凝固枝晶生长和晶粒细化机制。同时,利用高速摄影、红外检测... 详细信息

采用熔融玻璃净化结合循环过热技术,在Ni-Cu体系下,通过添加Co元素研究了Ni-Cu-Co合金不同过冷度下的微观组织演化。从理论结合实验的角度系统的解释了合金在不同过冷范围内的凝固枝晶生长和晶粒细化机制。同时,利用高速摄影、红外检测和微观组织表征技术研究了Co含量的增加对Ni-Cu-Co合金的显微硬度和非平衡凝固的影响,包括凝固速度、再辉效应和细化的临界过冷。Ni-Cu-Co合金在过冷度范围内存在两次细化组织转变。小过冷度下表现为为粗枝晶向等轴晶的转变,微观组织中取向相近的结构较多。这与高热效应驱使下的碎断细化一致,因此符合枝晶重熔机制。而大过冷度下表现为定向细枝晶向晶粒度更小的等轴晶的转变,微观组织含有高比例的大角度晶界和孪晶界,因此符合再结晶机制,并且再结晶驱动力来源于临界过冷ΔT*之后初生固相在再辉中积累的应力和塑性应变。将BCT理论与高速摄影机下的凝固速度相结合,研究了过冷范围内的凝固枝晶生长规律。在小过冷度下,溶质扩散的控制作用较强,并且枝晶尖端半径较大。随着过冷度的增加,凝固速度的增加逐渐加强了溶质截留效应,热扩散的增加逐渐削弱了溶质扩散的控制作用,同时枝晶尖端半径快速下降。这显著降低了合金的凝固偏析,使凝固逐渐由粗糙界面演化为光滑界面的均匀迁移,同时微观组织中出现“粗枝晶→定向粗枝晶→定向细枝晶”的演化规律。随着合金中Co含量的增加,过冷范围内的凝固速度和再辉效应逐渐提升,这会显著影响过冷合金的细化组织转变和显微硬度。首先,快速凝固中的枝晶重熔分数与最高再辉温度T呈正相关。再辉效应的提升伴随着温度T的增加,这会显著增强相同过冷度下的重熔效应,使临界过冷ΔT逐渐减小,ΔT逐渐增大。其次,凝固速度和再辉效应的提高可显著增加再辉中的热应变和凝固缩孔,从而诱导更多的液流与初生枝晶相互作用,积累更大的应力。这使合金在大过冷度下更趋向于发生晶粒细化,临界过冷ΔT*更小。同时,凝固速度的增加也可显著加剧应力诱导下的自发变形效果,使组织中的小角度晶界增多同时晶粒度明显下降。当Co含量达6%时,合金在整个过冷范围内的硬度相比铸态提升超过了100%。

关键词：微观组织晶粒细化凝固速度枝晶重熔再结晶临界过冷

体积深过冷二元合金熔体非平衡凝固组织形成机制研究

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体积深过冷二元合金熔体非平衡凝固组织形成机制研究

作者：梁磊中北大学

学位级别：硕士

本文对NiCu和NiCu二元合金体系为研究对象,采用熔融玻璃包覆和循环过热的方法获得了二者在不同过冷度条件(?200)都存在晶粒细化的现象。但是两次晶粒细化的组织形貌有较大的差别,且所具有的位错角也不同,这表明细化晶粒所形成的机制不... 详细信息

本文对NiCu和NiCu二元合金体系为研究对象,采用熔融玻璃包覆和循环过热的方法获得了二者在不同过冷度条件(?枝晶生长和导致两次晶粒细化的机制。利用高速摄影机系统的研究了过冷合金二者的固液界面形貌,并详细计算了凝固速率与过冷度的关系。对于NiCu和NiCu二元单相合金体系,在所得到的过冷度范围内,两个过冷合金的凝固组织存在着类似的转变过程,即“粗大的树枝晶→等轴晶→细小的树枝晶→细化的等轴晶”,二者在小过冷度(?200)都存在晶粒细化的现象。但是两次晶粒细化的组织形貌有较大的差别,且所具有的位错角也不同,这表明细化晶粒所形成的机制不一致。在小过冷度条件下,我们根据Li提出的枝晶重熔机制对过冷NiCu合金进了预测,枝晶重熔最大比例处于的过冷度值与实验中得到的过冷度区间很大程度吻合,因此认为枝晶重熔是导致第一类晶粒细化的主要原因。而在高过冷度条件下,Liu提出的应力诱导再结晶机制被认为是晶粒细化的原因。对此我们也进了理论预测,发现随着过冷度的增加,枝晶间累积的应力也在不断的增加。同时,对于NiCu硬度的分析表明,随着过冷度的增加,硬度会呈现较大幅度的下降,表明由于再结晶的发生,消耗了晶体内部的大部分应力能。对于高过冷度下的晶粒细化现象,在本实验中我们做了更详细的电子背散射衍射分析检测,得出高过冷度条件下晶粒具有更直的晶界,晶粒由小角度边界转变为大角度边界,同时可以明显的看到有退火孪晶的存在,表明在晶粒生长过程中发生了明显的晶界迁移现象。同时,对于大过冷度试样进行了透射分析,看到试样中存在着剩余的位错等缺陷组织,而且有着退火孪晶的存在,进一步表明存在着应力累计导致再结晶的发生。利用高速摄影机详细的拍摄了NiCu和NiCu合金不同过冷度下固液界面变化情况,得到在不同过冷度区间内固液界面凝固前沿的形貌也有所差别,而且,根据拍摄到的实时图片,得到了整个再辉过程所经历的时间,从而计算出合金在不同过冷度下的凝固时间,发现在整个过冷度区间内凝固速率随着过冷度的增加而增加,且在中等过冷度下有一定平台缓慢增长期,当达到某一临界过冷度下(?>220)凝固速度会突然增加,随后保持稳定。

关键词：凝固组织过冷度枝晶重熔应力累积再结晶凝固速率

基于相场法模拟对流作用下Ni-Cu合金枝晶形貌

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上海金属 2021年第4期43卷 69-76页

作者：彭霞林肖红李伟红易兵秦伟何浩湖南华菱涟源钢铁集团有限公司湖南娄底417000 湖南中科电气股份有限公司湖南岳阳414000

利用相场法模拟了不同单向对流及混合对流作用下Ni-Cu合金的枝晶形貌、溶质分布,研究了横向对流及线性流速对定向柱状晶偏转和重熔的影响。结果表明:对流对枝晶形貌、溶质分布影响较大。在不同对流作用下,上游区域枝晶生长较快、二次枝... 详细信息

利用相场法模拟了不同单向对流及混合对流作用下Ni-Cu合金的枝晶形貌、溶质分布,研究了横向对流及线性流速对定向柱状晶偏转和重熔的影响。结果表明:对流对枝晶形貌、溶质分布影响较大。在不同对流作用下,上游区域枝晶生长较快、二次枝晶臂发达;下游区域枝晶生长受到抑制,横向发育的主枝晶干向上游方向偏转,上游侧和下游侧枝晶间形成了溶质富集区,固-液界面存在较严重的溶质偏析。定向生长中对流作用会加剧柱状枝晶的局部重熔和缩颈断裂,并随着流速的增加,一次枝晶间熔断的二次枝晶逐渐减少,溶质富集程度增加。

关键词：相场法对流溶质偏析枝晶偏转枝晶重熔