Al-Cu合金近液相线铸造中组织演变的计算机模拟

摘要

半固态成形(Semi-Solid Metal Process，简称SSM)是在固/液两相区对金属材料进行加工成形的一种方法，能够制备出组织性能良好的材料，近年来受到人们的广泛关注。其中，合适的浆料制备是半固态成形的关键，近液相线铸造技术就是获得半固态浆料的简单高效的方法。实际上，不是所有的合金都适于近液相线铸造，而且不同成分的合金的生产工艺参数也不相同，为了获得具有良好半固态成形性能和使用性能的合金，人们需要进行大量的实验研究，浪费了大量的人力物力，因此通过计算机模拟进行半固态合金设计就成为目前人们关注的课题。本文在国家自然科学基金的资助下，对Al-Cu合金近液相线铸造过程中的组织演变进行了多尺度模拟，为半固态合金设计奠定基础。 本文针对Al-Cu合金近液相线半连续铸造的特点建立了描述成形过程的温度场模型、液固相变的形核和长大模型，并利用有限差分法和元胞自动机法对Cu含量分别为4％、4.5％及5％的Al-Cu合金近液相线铸造进行了温度场和组织演变的模拟，得到了组织演变与合金成分及工艺条件之间的关系，从而得到合适的半固态合金及其成形工艺条件。模拟和研究发现：利用外推法可以成功地描述半连续铸造结晶器出口的边界条件，从而使连续铸造过程温度场的模拟准确高效。在此基础上利用元胞自动机方法模拟了铸锭不同部位的组织演变过程，对于Al-4％Cu、Al-4.5％Cu和Al-5％Cu三种合金进行铸造时，当熔体不保温直接浇注时，边部和心部晶粒差别较大，而当熔体近液相线铸造时即保温一段时间后浇注，可获得均匀细小的晶粒，尺寸均在35μm左右。模拟结果还表明：当保温2-3min时，浇注温度在液相线温度15K以下、铸造速度为1.5mm/s左右时，可得到均匀细小的晶粒，并能保持较好的均一性；模拟的三种合金都能形成均匀细小的等轴晶，但相比之下Al-5％Cu的晶粒尺寸更小，圆度更大。冷却强度对近液相线铸造组织的边部晶粒情况影响较大，心部晶粒情况影响较小，当水冷系数达到1000 W/(m<'2>.K)即可得到均匀性和圆度较好的晶粒。 综上所述，在Al-4％Cu、Al-4.5％Cu和Al-5％Cu三种合金近液相线铸造时的最佳成分是Al-5％Cu，其合适的成形工艺条件为：铸造速度为1.5 mm/s，水冷系数1000w/(m<'2>.K)，浇注温度在液相线温度15K以下。

目录

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第1章绪论

1.1半固态成形技术简介

1.1.1半固态成形技术的特点

1.1.2半固态金属浆料制备

1.1.3半固态成形技术的发展现状

1.2金属凝固过程组织模拟

1.2.1凝固过程宏观尺度模拟

1.2.2凝固过程的介观尺度模拟

1.3本文研究的目的、意义

第2章半固态成形理论模型

2.1温度场模型

2.1.1宏观传热模型

2.1.2介观温度场模型

2.2浓度场模型

2.2.1扩散方程

2.2.2方程应用中的条件

2.3形核模型

2.3.1数学模型

2.3.2计算模型

2.4生长模型

2.4.1数学模型

2.4.2计算模型

2.5元胞模型的转换规则

第3章模拟结果

3.1模拟程序

3.2温度场计算

3.3浓度场的计算

3.4晶粒长大过程模拟

3.5组织模拟

3.5.1形核模型

3.4.2铸件微观组织模拟1

3.4.2铸件微观组织模拟2

第4章结论

参考文献

致谢