定向凝固藕状多孔Al生长过程的模拟仿真

摘要

通过对Gasar凝固过程中的传质、气泡形核、气孔生长、中断及脱离等的理论分析,建立了一个描述单气孔演变过程的非稳态三维模型,并采用有限差分的方法模拟了不同凝固速率下定向凝固多孔Al的气孔形貌.基于Al-H2系的研究结果表明：当凝固速率在0.15~0.005 mm/s范围内时,固/气两相能够维持协同生长,气孔的平均孔径分布在100~1100 mm之间,但随凝固速率的降低会逐渐增加,气孔长度亦随凝固速率的降低逐渐增加,长径比则基本保持在40左右;当凝固速率为0.015 mm/s时,气孔孔径的模拟值与实验值吻合较好,之后随凝固速率的降低,模拟孔径略低于实验值,分析认为,实际凝固过程中熔体上方的H2向熔体内的不断扩散是导致该差异的主要原因;随着熔体过热度和H2分压的逐渐增大,对应藕状多孔Al固/气两相协同生长凝固速率范围的最大值由不足0.01 mm/s先逐渐增加之后稳定在0.15 mm/s,最小值则由0.0001 mm/s左右逐渐增加至约0.01 mm/s;对Al-H2系和Cu-H2系相关参数的比较分析表明,H2在金属熔体中的溶解度是决定Al-H2系Gasar结构中固/气两相协同生长凝固速率范围的主要参数.