凝固收缩作用下二元合金凝固过程宏观偏析数值预测

摘要

宏观偏析是铸件常见的缺陷，在后续工序中很难消除，它对铸件的质量有重要的影响。宏观偏析的产生主要取决于凝固过程中凝固前沿的溶质再分配以及糊状区内的溶质流动。在引起流动的诸多因素中，凝固收缩与热-溶质浮升力引起的流动是造成溶质流动的重要原因，究其本质，前者是由相密度不同而引起，后者则造成了流体的密度变化。 为研究凝固收缩与热-溶质浮升力对二元合金凝固过程偏析的影响，本文建立了二元合金凝固过程中流动、传热、溶质传输耦合的二维数学模型，通过在动量方程中添加凝固收缩项来描述凝固过程的凝固收缩流动，采用控制容积积分法，通过自行编制Fortran程序，以Pb-48wt％Sn等二元合金为研究对象，对其凝固过程进行模拟，得到如下结论: (1)单独考虑凝固收缩和热-溶质浮升力作用时，热-溶质浮升力作用下铸锭宏观偏析程度较凝固收缩作用下更严重。 (2)综合考虑凝固收缩与热-溶质浮升力影响下，铸锭的偏析更为严重。 (ⅰ)对于Pb-48wt％Sn合金而言，在左侧壁面冷却条件下，热-溶质浮升力使得液相区熔体产生顺时针流动，凝固收缩会增加枝晶间流动。 (ⅱ)凝固收缩系数越大，溶质膨胀系数越大，热膨胀系数越小，宏观偏析越严重。 (ⅲ)浮升力的方向受热膨胀系数与溶质膨胀系数符号的影响，但决定于热膨胀系数与溶质膨胀系数的数量级大小。在左侧壁面冷却条件下，热浮升力与溶质浮升力同向时，浮升力引起液穴内逆时针流动;二者异向时，作用相抵，方向取决于数量级大的因素。 (ⅳ)对于本研究的Al-7wt％Si合金、Fe-0.1wt％C合金，在左侧壁面冷却条件下，液相区内熔体逆时针流动，逆时针流动使得铸锭左上部产生负偏析，右下部正偏析。 (3)对于Pb-48wt％Sn合金，冒口尺寸对铸锭内部的溶质流动影响非常小，可以忽略。 (4)比较了凝固收缩体积变化的二种数值处理方式-自由液面下降法与冒口补缩法。自由液面下降法需采用移动网格体系，不利于处理不规则自由液面变化;冒口补缩法改变了铸锭中的质量，冒口处补液还会对铸锭的内部流动产生影响，进而改变溶质分布。 (5)增强换热，使铸锭液相区内流动加剧，糊状区移动增快，溶质随枝晶间流动迁移时间较短，故凝固收缩与热-溶质浮升力影响下的铸锭截面宏观偏析均有减轻。相比较，凝固收缩的影响仍次于热-溶质浮升力。 (6)二次枝晶臂距越大，粘度越小，流动阻力越小，宏观偏析越严重，这与未考虑凝固收缩影响的现象一致。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1宏观偏析及其产生机理

1．1．1宏观偏析概述

1．1．2宏观偏析产生机理

1．2宏观偏析预测的数学模型

1．2．1连续介质模型

1．2．2体积平均模型

1．2．3两相模型及多尺度、多相模型

1．3考虑凝固收缩的宏观偏析模型

1．3．1连续方程中考虑凝固收缩的宏观偏析模型

1．3．2动量方程中考虑凝固收缩的宏观偏析模型

1．4本文研究的主要内容

第2章凝固收缩作用下模型的建立与求解

2．1宏观传输数学模型的建立

2．1．1模型建立的基本假设

2．1．2宏观传输方程

2．1．3渗透率公式

2．1．4平衡相图补充关系式

2．1．5焓、溶质浓度与温度及液相分数的转换关系

2．1．6计算区域体积变化处理方法

2．1．6边界条件及离散处理方法

2．2宏观传输方程的离散与求解方法

2．2．1控制方程的离散

2．2．2离散方程的耦合求解

2．2．3迭代求解方法与收敛判据

2．3本章小节

第3章耦合传输模型验证

3．1凝固收缩和热-溶质浮升力共同影响的宏观偏析结果

3．2仅考虑热-溶质浮升力的宏观偏析结果

3．3本章小结

第4章凝固收缩作用下宏观偏析模拟结果

4．1凝固收缩对宏观偏析的影响

4．1．1仅考虑凝固收缩的模拟结果

4．2热-溶质浮升力对宏观偏析的影响

4．2．1仅考虑热-溶质浮升力模拟结果

4．3凝固收缩与热-溶质浮升力对宏观偏析综合影响

4．3．1综合两种流动的模拟结果

4．3．2凝固收缩系数对宏观偏析的影响

4．3．3热-溶质膨胀系数对宏观偏析的影响

4．3．4不同合金系对宏观偏析的影响

4．4冒口尺寸的影响

4．5凝固收缩体积变化处理方式对宏观偏析的影响

4．5．1自由液面下降法模拟结果

4．5．2冒口补缩法模拟结果

4．6换热系数对宏观偏析的影响

4．6．1模拟结果

4．6．2仅考虑凝固收缩时换热系数对宏观偏析的影响

4．6．3仅考虑热-溶质浮升力作用时换热系数对宏观偏析的影响

4．7二次枝晶臂间距对宏观偏析的影响

4．8动力粘度对宏观偏析的影响

4．9本章小结

5．1结论

5．2展望

参考文献

致谢