基于Thermo-Calc热力学计算Al-Cu共晶合金微观组织模拟及实验验证

摘要

Al-Cu共晶合金广泛应用于航空航天、舰船等军事工业，以及汽车、建材等民用工业，是本世纪发展最快和使用量最多的金属材料之一。该合金典型的特征是在共晶温度附近从液相 L中直接生成两种固相，即Lαβ→+。合金凝固研究的关键就在于控制其最终凝固组织，包括晶粒形态，晶粒度，微观偏析和内部相组成等。
　　当前的相场模型，由于真实合金的自由能数据与相图数据很难精确得到，主要是针对简单溶液模型的合金。本文应用Thermo-Calc商业化软件计算 Al-Cu合金在温度(791-841)K，成分(0-35)Cu(at.％)范围内的α相、θ相及液相 L的自由能数据与相图数据，并且应用亚规则溶液模型建立计算范围内Al-Cu合金各相连续自由能关系式。同时，把Thermo-Calc计算自由能数据引入相场与浓度场控制方程。采用KKS模型中基于合金原始相图的体系自由能密度构造方法，和WBM模型中不区分界面点的固液相成分来减少计算量的处理，建立能对各种合金熔体液固相变微观组织演化进行模拟的KKS改进相场模型。
　　用改进的相场模型计算了Al-Cu合金在不同状态下的等轴晶微观组织。研究表明随着过冷度的增加，等轴晶生长速度也逐渐增大，等轴晶生长形貌逐渐由不发达二次枝晶等轴晶→发达二次枝晶等轴晶→“正方形”等轴晶→粒状等轴晶转变。微观偏析变化存在一个临界温度，高于此温度的微观偏析随温度的降低偏析程度逐渐加大，而低于此温度时微观偏析迅速降低，并且随着温度的降低逐渐接近于1。在非等温等轴晶生长模拟中，二次枝晶生长没有等温生长发达，枝晶间高熔点液相增多，并且可以看出非等温模拟主枝晶干较等温模拟明显变细。此外，通过引入取向场建立适用于多晶粒形核与生长模型，计算不同条件下Al-Cu合金多晶粒的形核与长大，研究了多晶粒生长的晶粒碰撞、晶粒度和微观偏析等。通过小各向异性多晶粒形核与生长过程，显示晶粒碰撞后两晶粒之间的晶界近乎直线，最终凝固组织为近似多边形。
　　模拟了Al-4.5Cu(at.%)合金在快速Bridgman定向凝固条件下，发生液固相变过程的界面形态和微观结构的动态演化。表明，当生长速度低于维持高速平界面的绝对稳定速度时，随着生长速度的增大，存在胞状树枝晶向细胞晶的微观结构转变，固液界面处溶质富集程度逐渐减小，溶质分配系数增大且不断向1逼近；当生长速度达到该绝对稳定速度时，初始平界面轻微失稳后将再次恢复为平界面，界面处出现溶质的完全截流，形成接近无偏析结构。在控制热流定向凝固中，随着边界热流的增加，凝固组织形貌发生很大变化，从树枝晶→树枝晶与柱状晶并存→柱状晶→细柱状晶的转变。
　　对 Nestler多相场模型进行修正，引入各相自由能数据，建立实用性比较强的多相场微观组织模型。研究共晶条件下均匀层片稳定生长和不同位置切面溶质分布。当初始层片α-Al相和θ-Al2Cu相初始层片不均匀时会出现振荡生长。在共晶相生长过程，如果初始层片间距如果不合理，将会发生共晶层片的形核与湮灭及间距再调整，在模拟其组织演化过程的同时，还详细分析了其形成机理。此外，亚共晶成分的Al-Cu合金共晶定向组织进行了模拟计算与分析。
　　最后，对Al-Cu合金不同条件下的等轴晶生长、定向生长、多晶生长和共晶生长过程的模拟结果进行实验验证。表明，在相的生长特性及微观组织形态上，模拟结果与实验结果具有可比性。

目录

基于Thermo-Calc 热力学计算Al-Cu 共晶合金微观组织模拟及实验验证

Microstructure Simulation and Experiment Validation of Al-Cu Eutectic Alloy Based on Thermodynamic Calculation with Thermo-Calc

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 .液固相变理论研究现状

1.2.1 界面稳定性

1.2.2 非平衡溶质再分配

1.2.3 自由枝晶稳态生长理论

1.2.4 定向凝固条件下界面形态的演化

1.3 Thermo-Calc热力学计算软件简介

1.4 凝固微观组织模拟研究现状

1.4.1 确定性方法（Deterministic Method）

1.4.2 概率性方法（Probabilistic Method）

1.4.3 相场法(Phase Field Method)

1.5 本文主要研究内容

第2章 基于Thermo-Calc的Al-Cu共晶合金热力学计算

2.1 引言

2.2 Al-Cu共晶合金自由能与相图计算

2.3 Al-Cu共晶合金多相自由能数据拟合

2.4 本章小结

第3章 Al-Cu合金单相凝固相场模型构造

3.1 引言

3.2 当前液固相变相场模型的构造

3.2.1 WBM相场模型

3.2.2 KKS相场模型

3.3 基于Thermo-Calc热力学计算的相场模型

3.3.1 自由能密度函数的合理分布

3.3.2 各向异性及扰动的引入

3.3.3 数值求解方法

3.3.4 初始条件和边界条件

3.3.5 计算稳定性

3.4 Al-Cu合金多晶粒形核与生长模型

3.5 本章小结

第4章 Al-Cu合金单相凝固微观组织模拟

4.1 引言

4.2 Al-Cu合金等温等轴枝晶凝固

4.2.1 Al-Cu合金不同初始成分等温模拟

4.2.2 Al-Cu合金不同初始温度等温模拟

4.3 Al-Cu合金非等温模拟

4.3.1 Al-Cu合金非等温等轴枝晶凝固

4.3.2 Al-Cu合金Bridgman定向凝固

4.3.3 Al-Cu合金控制热流定向凝固

4.4 Al-Cu合金多晶粒形核与生长模拟

4.4.1 Al-Cu合金不同初始过冷条件下的多晶粒形核与生长

4.4.2 Al-Cu合金小各向异性条件下的多晶粒形核与生长

4.4.3 Al-Cu合金非等温边界热流条件下的多晶粒形核与生长

4.5 本章小结

第5章 Al-Cu合金多相凝固微观组织模拟

5.1 引言

5.2 Al-Cu合金多相凝固微观组织模型

5.2.1 Nestler模型

5.2.2 基于Thermo-Calc自由能计算的Nestler改进模型

5.3 Al-Cu合金共晶 相变微观组织模拟

5.3.1 Al-Cu合金稳定生长过程

5.3.2 Al-Cu合金振荡生长过程

5.3.3 Al-Cu共晶合金层片间距调整生长过程

5.3.4 Al-Cu亚共晶合金生长过程

5.4 本章小结

第6章 实验验证

6.1 引言

6.2 实验方法

6.2.1 Al-Cu合金制备

6.2.2 实验设备

6.3 实验结果和模拟结果比较

6.3.1 砂型铸造工艺微观组织

6.3.2 钮扣炉铸造工艺微观组织

6.3.3 综合比较

6.4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历