凝固过程数值模拟的研究进展和发展趋势_黄卫东
第十二届全国铸造年会暨2011中国铸造活动周最新会议论文题录
第十二届全国铸造年会暨2011中国铸造活动周最新会议论文题录铸造铸造资讯?947-第十二届全国铸造年会暨2011中国铸造活动周最新会议论文题录由中国机械工程学会铸造分会和铸造行业生产力促进中心举办的第十二届全国铸造年会暨2011中国铸造活动周将于2011年11月l3—17Et在广州举行.本次会议是中国铸造业具有历史性意义的一次盛会,是铸造行业进行学术与技术交流和产品展览的良好平台.活动期间将进行高水平的学术交流和技术交流,并组织新技术,新材料展览会,还将组织一系列的行业活动.我们热诚邀请广大从事铸造研究,生产,管理等方面的人员莅临此次盛会.会议主题:先进铸造技术及铸造业的可持续发展有关会议的更详细内容见本期正文前面的第1,II,III,Ⅳ页.目前征集到的论文题录如下.1.凝固过程精确理论描述的研究进展和发展趋势/黄卫东/西北工业大学凝固技术国家重点实验室2.欧洲铸铁生产在线质量控制的现状和发展趋势/Ramon/西班牙AZTERI,AN铸造研究中心3.合金熔化节能技术发展的现状及未来/郭景杰/哈尔滨工业大学4.中国汽车铸件轻量化发展前景/万仁芳//东风汽车公司5.我国铸铁生产技术的最新进展与展望/李克锐,曾艺成,张忠仇/郑州机械研究所6.A1一Si合金熔炼过程中S境损的研究/刘宏磊/秦皇岛戴卡兴龙轮毂有限公司7.zG28Si2MnCr2MowRE钢烘干仓篦板的研制与生产/王贺/驻马店中集华骏铸造有限公司8.冷却速度对铝合金铸件气孔形成的影响/舒虎平/长安汽车集团发动机工厂技术处9.涡流分选在铸铁件硬度检测中的研究与应用/张文杰/东风汽车有限公司东风商用车公司铸造二厂10.镍基单晶高温合金的发展概况/黄爱华/沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司II.镍基高温合金铸件中的双氧化膜缺陷/黄爱华/沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司12.消失模铸造关键技术的认识与实践/袁东洲/山西晋城市金珂铸业制造有限公司13.新型中铬合金耐磨钢衬板在矿渣微粉管磨机上的研制与应用/李固成/河南驻马店市永诚耐磨材料有限公司14.蠕墨铸铁新标准的制定将促进蠕铁生产应用的发展/张忠仇/郑州机械研究所15.电渣熔铸金属熔池形状的测量方法及实践/宋照伟/沈阳铸造研究所16.轴承环球墨铸铁铸件无冒口铸造工艺实践/范江/沈阳机床银丰铸造有限公司技术部17.熔模石膏铸型粉初凝时间测定方法的研究/楼建余,章霖,孙鲁洪/深圳市景鼎现代科技有限公司18.球化处理降低铁水中碳含量/沈保罗,李莉/成都金顶凸轮轴铸造有限公司l9.新型冷芯盒制芯工艺及材料研究/魏甲/沈阳汇亚通铸造材料有限责任公司20.铸造涂料在大型汽轮机铸件中的应用/施风华/上海市机械制造工艺研究所有限公司21.气相二氧化硅在水基涂料中的应用/龚圣峰/上海市机械制造工艺研究所有限公司22.铸铁件冒口设计方法探讨/诸葛胜/中福铸造材料(青岛)有限公司23.铸造工艺模拟CASTsoftCAD/CAE技术在铸造工艺设计及优化中应用/宋彬/tL京北方恒利科技发展有限公司24.双辊带材铸轧侧封技术中熔融钢水液面宽度对侧封板所受温度场和应力场的影响/宋小伟/太原科技大学材料科学与工程学院25.含硼低合金高速钢轧辊组织和性能研究/符寒光/北京工业大学材料科学与工程学院26.热处理对Fe.Cr.B合金显微组织和硬度的影nil/张海滨,符寒光匕京工业大学材料科学与工程学院27.以埋人法代替电热管插入法改进模具的加热方法/ 张笑山,马婷肛苏省溧阳市科华机械制造有限公司28.CrMnSi耐磨钢铲齿的研究/郭继伟,杜杰敏,荣守范/佳木斯大学材料学院29.液膜溶解扩散焊技术在焊*bV泵曲轴缩裂缺陷方面的应用/罗乃林,汪宗科/宝鸡石油机械有限责任公司铸造厂948FOONDRYSop.2011V0I.60NO.930.泡沫陶瓷过滤器应用技术的探讨/赵远明,张科峰/ 济南圣泉集团股份有限公司31.一种新型外部排风罩的设计应用/丁原朝,尹来/烟台环球铸造有限公司32.基于数值模拟的低压铸造铝合金法兰件工艺优化/于宝义,教富川,李庆丰/沈阳工业大学材料科学与工程学院33.易清理耐高温型芯/张志锋僧东复合材料有限公司34.高强度铸态球墨铸铁整体桥壳材质的研究及攻关/高广阔,石利军,董成玉/一汽铸造有限公司特种铸造厂35.热处理对铸态A1.Fe基合金组织和性能的影响/李润霞,栾新颖,李青/沈阳工业大学材料科学与工程学院36.高温压缩对粗镁直接熔炼AZ91镁合金组织的影响/ 杨林,王凤彬,黄宏军/沈阳工业大学材料科学与工程学院37.坩埚式节能型废铝回收炉的开发/冈田民雄,朴龙云/日本坩埚株式会社38.AITiC晶粒细化剂对AI一30%Mg2Si合金的组织与性能的影响/李英民,姚博,任玉艳/沈阳工业大学材料科学与工程学院39.Mg5.8Sm0.3ZnZr合金组织和性能研究/苏听,李德江,谢艳才/上海交通大学轻合金精密成型国家工程研究中心4O.声振动在铸造生产中的应用/李军文/江南大学机械工程学院41.镁合金转向器壳体真空压铸工艺研究/王峰/沈阳工业大学材料科学与工程学院42.新型气硬动物胶型芯粘结剂的制备工艺优化/李英民,张神林,刘伟华/沈阳工业大学材料科学与工程学院43.返回次数对K4169合金组织及性能的影响/满延林,王宇飞/沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司44.真空干燥对熔模铸造用硅溶胶型壳强度的影响/冯华,刘向东/内蒙古工业大学45.基于KBL技术的铸造工艺数字化平台研究/唐红涛, 周建新,汪洪/华中科技大学46.一个用优质低廉环保水玻璃基型砂代替树脂砂的应用典范/胄曼星之/青岛4808工厂47.热处理温度对低合金耐磨铸钢组织性能的影响/胡志军,马志英,邓思寒/上海大学材料科学与工程学院48.低碳微合金化铸钢的研制与性能测试/马志英,胡志军,杨弋涛/上海大学材料科学与工程学院49.A1-si—Mg半固态成形合金的研制/裴小虎,陈萌,陈思悦/上海大学材料科学与工程学院50.究竟是谁发明的球墨铸铁?/N继扬/大连理工大学51.平旋盘体铸件的铸造工艺改进/崔红艳,柳建忠,孟君/沈阳机床银丰铸造有限公司52.大型地坑立柱缩孔缺陷的产生原因及改进措施/孟君,张继波/沈阳机床银丰铸造有限公司53.FeSJAir气氛中熔炼AZ91D镁合金试验研究/陈晓,许彩凤/福州大学机械工程及自动化学院54.钢质圆盘类工件挤压铸造成形过程数值模拟/于宝义,王钟声,李润霞/沈阳工业大学材料科学与工程学院55.ca和Y合金化对压铸AZ91镁合金组织及耐腐蚀性能影响/王峰,刘静,李晨曦/沈阳工业大学材料科学与工程学院56.脉冲电流对铝及铝合金凝固过程作用的研究综述/ 王瑞春,曹志佳,白彦华/沈阳工业大学材料科学与工程学院57.返回料添加比例对K414合金成分及力学性能的影响/王宇飞,满延林,杨刚/沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司58.铸铁发动机缸体消失模铸造工艺的研究/郭鹏,叶升平/全国消失模与V法铸造技术委员会59.聚乙烯醇粘结剂气硬造型法的研究/李英民,刘洪俊,刘伟华/沈阳工业大学材料科学与工程学院60.新型铸造高锰钢材料的研发/孙伟,张佳,严峻/三一重型装备有限公司61.消失模铸造全数控自动变频振实台的设计制造/高成勋,高远/四川省崇州市鑫晟机械制造厂62.V法铸造生产优质铸件的措施/高成勋/四川省崇州市鑫晟机械制造厂63.冲天炉熔炼特点与技术应用/任树勇,郑喜龙/山东科技大学材料工程研究开发中心64.减少承压铸件的缺陷,提高铸件检漏合格率/白素春/沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司65.大型灰铁,球铁铸件铸造工艺设计规范的探讨/任传真/济南圣泉集团股份有限公司66.合理应用,充分发挥稀土在铸造合金中的作用/盛铸造铸造资讯?949?达/清华大学机械系67.采用高性能涂料的泡沫模样在负压富氧下烧成空壳及边振动边浇注的消失模铸造技术/刘玉满,刘翔/桂林市中南铸冶材料研究所68.各种铸造缺陷修复机发展浅述/林得水/烟台金林表面工程设备有限公司69.倾斜板冷却工艺对ZL104半固态合金坯料组织的影响/王旭,袁晓光,王耘涛/沈阳工业大学材料科学与工程学院7O.固溶时间对含钪量为0.1%的铝镁硅合金板材组织性能的影响/秦悦阳,袁晓光,李贺亮/沈阳工业大学材料科学与工程学院71.液态模锻A113Si一3Cu.0.8Mg-0.3Mn-0.1Zr合金组织及性能研究/郭望春,袁晓光,王耘涛/沈阳工业大学材料科学与工程学院72.退火处理对室温压缩AZ91镁合金显微组织及硬度的影响/黄婷,杨林,任玉艳/沈阳工业大学材料科学与工程学院73.六联体导向叶片无余量精铸技术研究/韩宏/沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司74.芜湖铸造工艺示范集群园拟建构思与措施/汤宗成/芜湖市铸造协会75.大型铸钢件铸造工艺的优化设计研究/刘文JKI/西南内燃机配件总厂76.俄罗斯的铸钟技术/郑萍,郑隆滨/钢研新冶工程设计有限公司77.改性纳米SiC粉体对铸造马氏体不锈钢力学性能影响的研究/杨军,王鑫,陈美玲/大连交通大学材料科学与工程学院78.对铸件的力学性能提供合格保障的工艺技术/王化宇,王春平,赵亚芬/四平铸造协会79.铸态高强度厚大断面QT700—2生产实践/潘密/武汉重型机床集团有限公司铸造厂80.CO气硬PV A水溶性高分子粘结剂的制备/李英民,刘洪俊,刘伟华,沈阳工业大学材料科学与工程学院81.搅拌模式对泡沫铝泡孔结构的影响研究/郝海,芦国强,金浩/大连理工大学材料科学与工程学院.82.大型复杂箱体件的消失模铸造工艺应用/张俊祥,范随长,郭亚辉/中国一拖集团有限公司工艺材料研究所83.解释球墨铸铁中"碎块石墨"形成机理的楔形理论研究/张宗来/上海铸铭冶金材料有限公司84.铸渗法制备ZTA/钢基复合材料及磨损性能研究/郑开宏,赵散梅,陈亮/广州有色金属研究院金属加工与成型技术研究所85.综合利用福建沿海硅砂,推进绿色铸造/陈宜秀,陈文龙/福州益强铸造材料(集团)天津公司86.机械化装卸料自动抛丸滚筒/徐金鸿/济南铸锻机械研究所87.论分丸轮/徐金鸿/济南铸锻机械研究所88.无烟球化处理方法劂年路/天津市万路科技有限公司89.预埋缸套铝缸体金属型低压铸造技术/鄢德高,郑哲,皮振江/一汽铸造有限公司有色铸造分公司技术部90.大型熔模复杂铸件571支架开发/张玉林/一汽铸造有限公司特铸厂91.欧III498缸体组芯立浇工艺设计/张显宜/一汽铸造公司铸造一厂技术开发部92.气缸体低压铸造工艺与模具结构设计/刘兴富/一汽铸造有限公司铸造模具设备厂93.型砂中吸水细粉含量的调整与探索/王艳辉/一汽铸造有限公司铸造二厂94.制芯过程模拟研究与应用/卢宝胜/一汽铸造有限公司技术中心95.6DL发动机蠕墨铸铁缸体缸盖的铸造技术开发/王成刚,刘文辉,马顺龙卜汽铸造有限公司技术中心96.大断面球墨铸铁的合金化与性能研究/陈维平,邓宇/华南理工大学广东省金属新材料制备与成形重点实验室97.金属合金枝晶形貌演变原位可视化/朱晶,王同敏,曹飞/大连理工大学材料科学与工程学院98.不同制备工艺对于A1.B中间合金形貌及形核效率的影响/0t洪旺,陈宗宁,王同敏/大连理工大学材料科学与工程学院99.Mn对挤压铸造A1.5.0Cu.0.5Fe合金组织和性能的影响/林波,程佩,汪先送/华南理工大学机械与汽车工程学院100.定向凝固Ti.45A1.5Nb合金组织演化规律/李琨,苏彦庆,骆良顺/哈尔滨工业大学材料科学与工程学院101.铝合金旋转喷吹精炼气泡运动的数值模拟/苏志付,骆良顺,苏彦庆/哈尔滨工业大学材料科学与工程学院102.铝合金管类铸件气密性缺陷研究/苏志付,孔力950?FOUNDRYSep.2011VOI.60No.9明,骆良顺/哈尔滨工业大学材料科学与工程学院103.动态无功补偿设备研制及应用/高云保,孙超业/沈阳铸造研究所104.AZ31泡沫金属材料的制备及研究/魏志浩,王志国,周君胴北工业大学材料学院105.泡沫铝的熔体发泡法制备及其应用/周君,赵维民/ 河北工业大学材料学院106.MgCa.Ce合金熔体表面张力与阻燃关系的研究/孟宪阔,赵维民,丁俭/河北工业大学材料学院107.变质元素对铸造AI.si合金共晶结晶的作用及机Ill/ 祖方道/合肥工业大学108.生长条件对灰口铸铁共晶凝固过程石墨形态的作用/祖方遒合肥工业大学109.连铸工艺参数对层状金属复合铸锭成形缺陷的影响/郑小平,程佩,林波/华南理工大学110.泡沫金属材料性能特点及其应用研究进展/王志国/ 河北工业大学111.INITEK专利球化处理技术介绍及其应用/陈子华/ 福士科铸造材料(中国)有限公司112.铸造涂料新技术及其发展趋势/宋会宗/福士科铸造材料(中国)有限公司113.重力铸造铝合金车轮表面缺陷的分析及其改进/曾礼,赵建华,林建党/重庆大学材料科学与工程学院114.铝合金缺陷修复新工艺应用研究/任朋立,王宗舜/中国船舶重工集团公司第十二研究所115.电弧炉熔炼节能技术应用现状与发展/冯胜山/湖北工业大学机电研究设计院1l6.低温浇注和晶粒细化复合工艺铸造A356合金半固态坯料/王顺成,戚文军,郑开宏/广东省工业技术研究院(广州有色金属研究院)材料加工研究所1l7.电磁铸~L5182铝合金组织性能研究/许光明/东北大学l18.A356和A356/5%SIC.凝固过程界面传热系数的研究/李俊文,赵宇/华南理工大学119.我国钛合金与铸型材料界面反应研究现状/刘鸿羽, 刘时兵/沈阳铸造研究所120.挤压铸造LC4合金组织及性能研究摩宇飞/沈阳铸造研究所121.碘化钾分光光度法测定锑含量测量不确定的评定侏智,薛孝民,段双,李宇彦,蒋辉/沈阳铸造研究所中国机械工程学会铸造分会地址:沈阳市铁西区云峰南街l7号(110022)电话:024—25851598,258523l1-202传真:024.25855793会议联系人:刘秀玲朱家辉曹阳李大放电子信箱:**************************************************投稿信箱:****************************展览会联系人:曹秀梅电子信箱:***********************电话:024.25850149,25852311-356网址:r.foundrynations.tom(上接第946页)mizingyieldinductileiron(USA)/ DougWhiteVietnam17.Effectofsomefactorsoncharacterizationofas.castNi74Cr16Mo5Ti4superalloyingot(VNM)IToDuy Phuong,DoThDuyen,LeMinhTuan,eta1.18.Studyontechnologyofproducingsilicon-aluminum alloystoobtainalloy'Scompositionsandmicrostructu—refordiecasting(VNM)/LeMirthTuan,ToDuyPhuong19.Determinationofthermaldiffusivityandheatconduct—ionofceramiccastingmoldsusingcomputer simulation(VNM)/DoVanQuang,DaoHongBach, DinhQuangNang20.Developmentofnove1corrosionandwearresistant highchromiumwhitecastirons(VNM)/DoanDinh Phuong,NguyenV anTich,TruongNgocThan,eta1.74.Effectofcoolingconditionsinsandmouldonpropert—iesofascastADC12(VNM)/PhamMaiKhanh,Dinh QuangNang中国机械工程学会铸造分会联系人:李大放曹阳电话:+862425851598传真:+862425855793信箱:paper@arc一11.COrn*************************************************网址:www.arc一11.tom。
2011铸造活动周论文题录
２． ０ 铸造涂 料在 大型汽轮 机铸件 中的应 用
施风 华 上海市机械制造 工艺研 究所有 限公 司
４ 中 国汽 车铸件 轻量化发展前景 ．
万仁芳 东风汽车公 司
２． １ 气相 二氧 化硅在水 基涂料 中的应 用
龚圣峰 上 海市机械 制造 工艺研 究所有限公 司
舒虎平 长安汽 车集团发 动机 工厂技术处
封板所 受温度 场和应 力场 的影响
宋小伟 太原科技 大学材料科 学与工程 学院
９ 涡流分 选在铸 铁件硬度检测 中的研 究 与应 用 。
张文 杰 东风 汽车有 限公 司 东风商用车公 司
２． ５ 含硼 低合金 高速钢 轧辊组 织和性 能研 究
９ ． Ｉ ９ 缸体 组芯立 浇工艺 设计 １ 欧Ｉ ４ ８ Ｉ
，
张显 宜 一汽铸 造公 司铸 造一厂技术开发部
７． ３ 六联体 导 向叶 片无余 量精铸 技术研 究
韩宏 中航 工业沈 阳黎 明航发 集团责任有 限公司
９． ２ 气缸体 低压铸 造工艺 与模具 结构设计
刘兴 富 一汽铸 造有 限公 司铸造模具设备 厂
５ 。 乙烯醇 粘结剂 气硬造型 法的研 究 ９聚
李英民等 沈 阳工业大学材料科 学与工程 学院
４ ． 合金转 向器壳体 真空压 铸工艺研 究 ｛镁
王峰 等 沈 阳工业大学材料科 学与工程 学院
６。 Ｏ 新型铸造高锰钢材料 的研发
孙伟等
三一 重 型装备有限公 司研究本 院液控研 究院材料研 究所
王瑞春等 沈阳工业大学材料科学与工程 学院
３ ｌ ｌ 晶粒 细 化剂 对Ａ － ０ Ｍ ２ ｌ 金 的组织 与性 ８ Ａ Ｔｅ ｌ３ ％ ｇＳ 合
Al_Si合金凝固组织的数值模拟(微观组织模拟paper)
摘 要凝固组织对铸件的性能有重要影响，对凝固组织的控制研究，过去一般采用物理实验的方法，浪费了大量的人力和物力，实验周期长，使得该方法在实际应用中的范围受到了一定限制。
随着金属凝固理论的日益完善以及计算机技术在材料科学、冶金学上应用的迅猛发展，使得计算机技术对凝固组织进行准确的模拟成为可能。
本文建立了有限元（Finite Element）和元胞自动机法（Cellular Automaton）相结合的宏微观耦合的CA-FE模型，采用有限元法（FE）计算宏观温度场，元胞自动机法（CA）计算微观凝固组织形成，与宏观传热进行耦合。
在微观计算中，形核计算采用了基于高斯分布的连续形核模型，生长计算采用了扩展的KGT模型，使其适用范围由二元合金扩展至多元合金。
应用CA-FE模型模拟了Al-Si合金的三维凝固组织，并进行了热态验证实验，应用修正的数学模型模拟并分析了原始成分、形核参数、浇注条件和铸模对凝固组织的影响。
研究结果表明：（1）模拟结果能够较为准确地反映出等轴晶和柱状晶的分布位置、比例和大小，并能较好描述凝固过程中晶粒生长情况，说明CA-FE模型是模拟凝固组织的有效模型；（2）降低原始成分Si含量以及提高过冷度是有利于柱状晶的发展，而增大形核密度是有利于等轴晶的发展，且能细化晶粒；（3）提高浇注温度，凝固组织中柱状晶增多，且晶粒明显变得粗大，而铸模外界冷却强度对铸件凝固组织的影响不大；（4）增大铸模厚度和使用冷却能力强的铸模都将使凝固组织中柱状晶比例增大，当使用冷却能力差的硅砂模时，凝固组织没有柱状晶而全为等轴晶。
关键词：有限元；元胞自动机法；数值模拟；凝固组织；等轴晶；柱状晶AbstractSolidification structure has an important influence on the performance of casting. In the past, the method of physical experiment was applied to the research of controling the solidification structure generally, however, a great deal of time and efforts should be put while using this method. so it is limited in the practical application. With the improvement of metal solidification theory and the rapid development of computer technology used in materials science and metallurgy, it has become possible to simulate the solidification structure accurately with computer technology.The CA-FE model was built through coupling the finite element and cellular automaton method. The finite element method was used to calculate macro temperature, and the cellular automaton method was used to simulate solidification microstructure with coupling the macro temperature calculation. In microstructure simulation, the nucleation adopts the continuous nucleation model based on Gaussian distribution, and the growth adopt the extended KGT model which fit complex alloy expanded from binary alloy. The three-dimensional solidification structures of Al-Si alloy was simulated by CA-FE model with hot verification test. In addition, the effects of primitive composition, nucleation parameters, casting conditions and the mold on solidification structures were analysised.The results show as follows:(1) The simulated results can accurately reflect the distribution, proportion, size of equiaxed grain and columnar grain，and can describe the grain growth well in the solidification process, so the CA-FE model is a effective model to simulate the solidification structure.(2) Reducing primitive composition of Si element and increasing undercooling are conducive to the development of columnar grains, but increasing nucleation density is conducive to the development of equiaxed grains, and can fine grains.(3) Raising the casting temperature, the proportion of columnar grain will increase, and the grains become coarse obviously，but the effect of the cooling intensity outside the mold on solidification structure is slight.(4) Enlarging the thickness of the mold or using the mold with strong cooling capacity, the proportion of columnar grain will increase. While using the Silica Sand mold with weak cooling capacity, the solidification structure were composed with all equiaxed grains and without columnar grain.Key words：finite element; cellular automaton; numerical simulation; solidification structure;equiaxed grain; columnar grain目 录第一章文献综述 (1)1.1 引言 (1)1.2 凝固组织的形成与控制 (2)1.2.1 铸件的凝固组织 (2)1.2.2 凝固组织的形成及影响因素 (3)1.2.3 凝固组织对铸件性能的影响 (4)1.2.4 凝固组织的控制 (5)1.3 凝固组织模拟的研究方法 (7)1.3.1 确定性方法(Deterministic Method) (7)1.3.2 随机性（概率）方法( Stochastic Method) (8)1.3.3 相场法(Phase field Method) (10)1.3.4 三种方法的对比 (11)1.4 凝固组织数值模拟的国内外研究进展 (12)1.4.1 国外研究 (12)1.4.2 国内研究 (15)1.4.3 存在问题及今后发展趋势 (16)1.5 本文所研究的主要工作 (17)第二章铸件凝固过程宏微观耦合模型 (19)2.1 宏观温度场计算模型 (19)2.1.1 热传递的基本方式 (19)2.1.2 热传导微分方程 (20)2.1.3 瞬态温度场的有限元解法 (21)2.2 微观动力学模型 (23)2.2.1 形核模型 (23)2.2.2 枝晶尖端动力学模型 (26)2.3 耦合计算模型 (29)2.3.1 耦合计算流程 (29)2.3.2 凝固潜热处理 (31)2.3.3 固相分数的确定 (32)2.4 本章小结 (33)第三章数学模型的计算与验证 (34)3.1 实验 (34)3.1.1 实验材料 (34)3.1.2 实验设备 (34)3.1.3 实验步骤 (35)3.1.4 实验结果 (35)3.2 数值模拟过程 (35)3.2.1 网格划分 (35)3.2.2 热物性参数 (35)3.2.3 初始条件 (36)3.2.4 边界条件 (37)3.2.5 生长系数 (37)3.2.6 形核参数 (38)3.3 模拟结果及分析 (38)3.3.1 模拟结果 (38)3.3.2 柱状晶生长 (40)3.3.3 中心等轴晶生长 (42)3.4 本章小结 (43)第四章 AL-SI合金凝固组织的数值模拟与分析 (44)4.1 原始成分对凝固组织的影响 (44)4.2 形核参数对凝固组织的影响 (45)4.2.1 过冷度对凝固组织的影响 (45)4.2.2 形核密度对凝固组织的影响 (46)4.3 浇注条件对凝固组织的影响 (47)4.3.1 浇注温度对凝固组织的影响 (47)4.3.2 外界冷却强度对凝固组织的影响 (49)4.4 铸模对凝固组织的影响 (50)4.4.1 铸模厚度对凝固组织的影响 (50)4.4.2 铸模材料对凝固组织的影响 (52)4.5 本章小结 (53)第五章：结论 (54)参考文献 (55)致谢 (58)附录：发表的论文 (59)第一章文献综述1.1 引言众所周知，决定铸件产品机械性能的最本质因素是铸件内部晶粒在宏观上的几何形态，即铸件的凝固组织结构，包括晶粒的形貌、大小、取向和分布等情况。
液态金属冷却定向凝固数值模拟与试验研究
液态金属冷却定向凝固数值模拟与试验研究
液态金属冷却定向凝固是一种通过冷却过程控制金属凝固形态和晶粒取向的方法。
数值模拟与试验研究对于理解凝固过程中的热传导、流体动力学和固相变化等关键过程具有重要意义。
液态金属冷却定向凝固的数值模拟可以通过计算流体动力学方程、热传导方程和相变方程等来模拟金属凝固过程。
这样的模拟可以预测凝固过程中温度场、流场和组织形貌等关键参数，为优化凝固过程提供指导。
试验研究是对液态金属冷却定向凝固过程进行实际操作和观测的方法。
试验可以通过控制冷却速度、定向条件和金属组成等来研究凝固过程中的变化规律。
试验可以通过金相分析、扫描电镜观察和力学性能测试等方法来获取凝固材料的微观结构和性能信息。
数值模拟与试验研究在液态金属冷却定向凝固中有着相辅相成的作用。
数值模拟可以通过建立适当的模型和边界条件来模拟复杂的凝固过程，并且可以根据实验结果对模型进行验证和修正。
试验研究可以通过实际操作来验证数值模拟的结果，并且可以提供更详细的实验数据来改进模型的精度和可靠性。
通过数值模拟与试验研究，可以深入了解液态金属冷却定向凝固过程中的物理机制和影响因素，为优化凝固工艺、改善材料性能和开发新材料提供理论和实验依据。
采用元胞自动机法模拟凝固微观组织的研究进展
采用元胞自动机法模拟凝固微观组织的研究进展
单博炜;魏雷;林鑫;黄卫东
【期刊名称】《铸造》
【年(卷),期】2006(055)005
【摘要】系统论述了元胞自动机(CA)方法模拟凝固微观组织的原理,同时介绍了这种方法在国内外的研究现状.实际上,国内外的研究主要经历了从晶粒结构到枝晶结构,从二维到三维、从没有流场到包含流场的逐步深入的发展历程.最后对CA方法的进一步研究方向提出建议,指出CA方法需要进一步完善现有模拟过程中所采用的生长动力学模型,同时可以将应用范围向半固态凝固领域拓展.
【总页数】5页(P439-443)
【作者】单博炜;魏雷;林鑫;黄卫东
【作者单位】西北工业大学凝固技术国家重点实验室,陕西,西安,710072;西北工业大学凝固技术国家重点实验室,陕西,西安,710072;西北工业大学凝固技术国家重点实验室,陕西,西安,710072;西北工业大学凝固技术国家重点实验室,陕西,西
安,710072
【正文语种】中文
【中图分类】TG21
【相关文献】
1.铝合金元胞自动机-有限单元法微观组织模拟 [J], 齐伟华;张捷宇;王波;樊俊飞;赵顺利;任三兵;方园;李响妹
2.基于元胞自动机法的铝合金定向凝固过程微观组织数值模拟 [J], 黄建峰;杨屹;李羽晨;杨军;吴钋冰;姚进
3.基于元胞自动机法的凝固微观组织模拟 [J], 马娜;于浩;冷茂林
4.基于元胞自动机法对Mo单晶的焊缝微观组织模拟 [J], 马雁;王剑举;杨鹏威
5.微观组织演变元胞自动机模拟研究进展 [J], 陈飞;崔振山;董定乾
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液相对流对定向凝固胞
液相对流对定向凝固胞/枝晶间距的影响*王贤斌林鑫十王理林宇红雷王猛黄卫东(西北工业大学凝固技术国家重点实验室，西安m oo}a>}aoia年9月as日收到;aoia年11月m日收到修改稿)采用类金属透明模型合金J一二睛-1.8 wt%丙酮(SCN-1.8 wt%Ace)合金，研究了平行于生长界面前沿的液相对流对定向凝固胞/枝晶生长行为及胞/枝晶问距的影响.对于胞晶生长，在液相对流作用卜，其尖端将会出现分岔，使得胞晶问距减小，并且液相对流流速越大，胞晶尖端分岔越明显，胞晶组织越细小，胞晶问距越小.至于枝晶生长，其生长行为与胞晶小同.当抽拉速度较小时，液相对流作用卜枝晶两侧三次臂的生长速度将会超过枝晶尖端生长速度，形成新的枝晶列，使得枝晶一次问距减小，并且液相对流流速越大枝晶一次问距越小;当抽拉速度较大时，液相对流作用卜迎流侧二次臂生长发达，且会抑制上游枝晶生长，使得枝晶一次问距增大，并且液相对流越强枝晶一次问距越大.关键词:定向凝固，胞晶间距，枝晶间距，液相对流1引言胞晶和枝晶是定向凝固过程中普遍存在的两种典型的单相合金生长形态[f1,21，其形态和特征尺度，如一次间距，二次间距和尖端半径等，对材料的力学性能具有重要的影响.至今，已经有很多研究者对定向凝固胞/枝晶一次间距进行了研究，并提出相应的模型}3-ls]，如Hunt模型[[11], KF模型[12} , Trivedi模型[13]、Hunt-Lu数值模型[14]以及Lin-Huang数值模型[}ls}.但是这些研究大多是基于纯扩散条件进行分析，而在实际凝固过程中，液相对流一般是不可避免的，并且液相对流还会影响固液界面前沿的温度场和溶质场，进而影响胞晶和枝晶的生长形态.近年来，对流对凝固过程的影响已经引起很多研究者们的关注.刘山等[[16{考察了对流对胞晶和枝晶生长影响，发现流动使得胞晶间距减小，但是却使得枝晶一次间距增大.Trivedi等[17{却发现对流使得枝晶一次间距减小，并提高了胞枝转变临界速度.Spinelli等[[1s]随后的研究中也发现枝晶间对流会使得枝晶一次间距减小.最近，孙东科[}m{等通过数值模拟方法研究对流对枝晶生长的影响，发现对流使热量和溶质从上游传输到下游，从而加速上游枝晶的生长.石玉峰[[zo]等通过数值模拟方法研究对流对枝晶尖端生长速度的影响，发现对流使得枝晶迎流侧生长加速，且对流使枝晶间溶质富集减少，出现枝晶一次臂湮没和分枝的现象.王建元等[[zi,zz{考察了对流对胞晶和枝晶生长影响，发现胞晶间距随流速的增大而减小，且对流作用下胞晶尖端易出现分岔，同时，对流使得枝晶间距增大.可以看到，虽然目前对流对胞晶和枝晶生长影响的相关研究已经取得了初步的进展，但是目前的研究结果还存在一定分歧，并且大部分研究者的重点集中在对比流动条件下和纯扩散条件下的胞/枝晶生长行为，而在对流强度对凝固组织形态影响方面的研究较为缺乏.基于此，本文采用类金属透明模型合金一一SCN-1.8wt%Ace合金，考察了固液界面前沿液相对流的流速对胞晶和枝晶生长行为的影响，并探讨了液相对流对胞晶间距和枝晶一次间距影响的本质原因，以期完善流动条件下的胞/枝晶生长理论，进而为指导生产实践奠定基础. 2实验方法实验采用的SCN-1.8wt%Ace合金是由纯度大于99.99%的丁二睛和纯度大于99.5%的丙酮在氢气气氛的手套箱中配制而成.实验在自制的Bridg-man水平定向凝固系统中进行如图1所示.该系统主要由Jackson-Hunt温度梯度平台、流动驱动系统、显微观察图像采集系统组成.试样盒厚度为0.15 mm.采用精度优于0.1 K的恒温水浴来控制控制热端和冷端温度.界面前沿的对流由放置于试样盒中的磁力驱动叶片产生，进而在固液界面前沿形成垂直于生长方向且流速可调的流动，并采用失踪粒子测定界面前沿的流动流速.组织形态采用Nikon AZ100显微镜进行实时观察，通过CoolSnap高分辨率CCD实时拍摄.实验开始前，通过选晶在试样盒中形成一个(100>晶向平行于温度梯度方向的单晶，每次实验开始时都从此试样盒的同一个起点出发来保证实验初始条件的一致性.在考察对流流速对胞枝晶生长的实验时，在启动抽拉系统启动的同时同步施加对流，并作为计时零点记作t=Os.每次实验结束后都保证将试样盒退回到同一起点处，并将试样盒放置于Jackson-Hunt温度梯度平台保温4h进行合金均匀化，之后再进行下一组实验. 叶片显微镜计算机热端铜台上冷端铜台上/抽拉系统试样盒兀热端铜台下、\妞岌~光源冷端铜台下图i带切向流动系统的定向凝固系统示意图3实验结果与讨论3.1流动对胞晶生长的影响由于透明合金SCN-1.8wt%Ace在温度梯度GT = 6 K/mm条件下形成胞晶的抽拉速度范围比较狭窄，作者在前期的考察中，发现该温度梯度下，实际的胞晶抽拉速度范围大约为0.34-1.08 }m/s.因此在研究中选取靠近抽拉速度下限(v = 0.43 }m/s)和抽拉速度上限(v = 0.92 }m/s)两个典型速度.图2对比了抽拉速度、= 0.43 }m/s下，对流对平界面失稳后的浅胞形貌的影响.其中，图2}a}无强制液相对流作用，图2}b}存在液相对流，液相平均流速u1=14.3}m/s.由图2可见，与无强制液相对流相比较，液相对流作用下部分大间距胞晶尖端出现了分岔，胞晶间距明显细化随着抽拉的继续进行，浅胞组织逐渐演化为深胞组织.图3显示了抽拉速度、= 0.43 }m/s下对流对深胞晶生长形貌的影响.其中图3(a)为无强制液相对流作用，图3(b), (c), (d)的液相平均流速分别为u1 = 14.3 }m/s, u2 = 28.9 }m/s, u3 = 69.7 }m/s.可以发现，在液相对流作用下，胞晶尖端同样会出现尖端分岔，以致胞晶明显细化流速较低时，尖端分岔的频次较高，胞晶尖端几乎始终处于周期性分岔状态，随着对流流速增大，尖端分岔的频次明显降低.图4显示了抽拉速度、= 0.92 }m/s下对流对胞晶生长形貌的影响.其中，图4(a)为无强制液相对流作用，图4(b), (c), (d)的液相平均流速分别为u1 = 14.3 }m/s, u2 = 28.9 }m/s, u3 = 69.7 }m/s.可以看到，与图3的规律基本相同.总体上看，胞晶间距随着对流流速的增大逐渐减小. Hunt和Lu}14{通过采用数值自洽模型，分析胞晶之间溶质扩散场的相互作用，给出了胞晶间距分布范围下限的数值拟合结果。
凝固过程数值模拟的研究进展和发展趋势_黄卫东
摘要
回顾了凝固过程理论描述及数值模拟的发展历史, 对其研究现状和存在问题进行了评
关键词
凝固过程 精确理论描述 数值模拟 宏微观耦合
述, 重点分析了与凝固组织形成相关联的理论研究要点, 对目前已经建立的宏微观结合/耦合 凝固过程描述及模拟方法进展进行了归纳总结, 在此基础上对凝固过程精确理论描述和数值 模拟的前景及趋势进行了展望.
在常见的铸件尺度上 , 早期对于凝固过程的描
述主要集中于宏观温度场及流动场的分析 , 借助于 经验性判据可以实现宏观层面液相区、糊状区、固相 区构成及细微组织特征的粗略说明 . 而精确的可视 化凝固过程描述要求就固相形核、晶粒生长形态、溶 质排出、晶粒漂移、液相流动、温度分布等不同层次 的诸多问题形成准确认识 , 建立可靠的物理模型 . 通 过耦合宏微观不同层次凝固过程的数理描述 , 借助 计算机模拟实现获得图形化的组织形成过程演示, 则是验证并加深凝固过程精确描述体系认识的重要 手段 . 凝固过程宏微观耦合的计算量控制是需要特别 考虑的问题 . 为了实现凝固过程宏微观的双向耦合 模拟 , 研究者们开展了大量工作 . Beckermann 课题 组 [20,21] 首 先 将 多 相 流 动 分 析 用 于 凝 固 过 程 的 模 拟 , 把凝固过程中涉及到的物相区分为液相、 固相及枝晶 间液相 , 分别求解各相的质量、动量、溶质、热焓守 恒方程 , 并以模型化方式考虑相间作用及转变 . 然而 这一方案因缺少一个合理的形核模型 , 且过度追求 统一性而变得复杂 , 难于实际操作 . 此后 , Beckermann 的模型被 Ludwig 和 Wu[22~24] 进一步修改并应用到等轴球晶的凝固过程模拟当中 . 在 Ludwig 和 Wu[23]建立的多相模型中 , 他们对各相 同时求解质量、动量、热量、组分方程与一组密度守 恒方程 ; 对于各相的生核规律、生长动力学、潜热释 放、溶质分布和机械作用等问题 , 则通过相应的传输 方程和数学模型来加以整合 . 为了实现宏微观凝固 过程的双向耦合 , Wu 和 Ludwig[25]基于体积平均法 , 采用如图 1 所示的处理方案来实现跨层次的参数传 递 , 在宏观层面采用欧拉多相模型完成熔体、不同物 相等轴晶、柱状晶、固相之间相互作用的描述 , 并以 此作为微观层次模拟的外部条件 ; 微观层次模拟中 应用界面跟踪法或其他较为精确的凝固理论模型来 获得可接受的固相生长具体形态的描述 ; 对具体的 固相生长形态 , 采用包络平均的方法来概括其宏观
镍基单晶高温合金定向凝固的数值模拟
０ 引 言
高温合金是指能够在 ６０ ０ ℃以上高温 ， 承受较大复杂应
力 ， 有表 面稳定 性 的高 合金 化 铁 基 、 基 或 钴 基 奥 氏体 并具 镍
普通方法得到的等轴晶铸造合金 ， 其高温性能的提高 已接近 极限。合金化程度的大幅度提 高使得高温长期使用时组织 不稳定 ， 力学性能变坏， 给热端零部件带来破坏的危 险。因
工艺 ， 制备晶界平行于主应力轴从而消除有害横 向晶界的柱
状 晶高 温合金 ， 者 制备 出消 除 所有 晶界 的 单 晶高 温 合 金 ， 或
使合金强度和塑性同时获得明显改善。 定向凝固是使金属或合金 由熔体 中定 向生长晶体的一 种工艺方法。高温合金通过定向凝 固可以获得 晶界平行于 凝固方向的柱状晶组织、 每个 晶粒的低模量＜０ ＞ 向都平 ０１ 取
行 于晶轴 ， 是定 向凝 固合 金 。将 定 向凝 固 工艺 进行 选 晶 这就
或籽晶处理 ， 可以获得消除一切 晶界的单 晶镍基高温合金 。
国内外 先进 的航 空 发 动 机 和 燃气 轮 机 均 采 用 定 向凝 固 （ 柱
镍基高温合金 自２ 世纪 ４ 年代 问世以来 ， Ｏ ０ 通过不断地 加入更多的固溶强化和沉淀强化元素Байду номын сангаас 使承温能力 每年平均
测。
关 键 词
镍基高温合金 定向凝固 数值模拟
Ｎｕ ｅ ｉａ ｉ ｌ ｔ ｎ ｏ ｒ ｃｉ ｎ ｌＳ ｌ ｉｉａ ｉ ｎ ｏ ｉ ｇｅ ｍ ｒｃ ｌ ｍｕ ａ ｉ ｆＤｉｅ ｔ ａ ｏ ｉ ｆｃ ｔ ｆＳ ｎ ｌ Ｓ ｏ ｏ ｄ ｏ Ｃｒ ｓ ａ — ａ ｅ ｕ ｅ ａ ｌｙ ｙ ｔ ｌＮｉ ｓ ｄ Ｓ ｐ ｒ ｌ ｓ ｂ ｏ
向 微 观 转 变 ， 细 介 绍 了微 观 组 织数 值 模 拟 的 几 种 主 要 方 法 ： 定 论 方 法 、 机 论 方 法 和 相 场 方 法 ， 述 了 这 几 种 方 详 决 随 评
多元合金凝固界面形态演化模型
(1)
(2)
式中, xi 为第 i 个组元的摩尔分数, 上标表示平衡时的各相索引 . 可见, 在相图计
( )
(3)
式中, Rg 为气体常数 , G j 为纯组元 j 具有 i 相结构时的摩尔自由能. 其中 , 第 1 项 为 m 个组元构成机械混合物时的摩尔自由能, 第 1 和第 2 项之和体现了 m 个组 元形成理想溶液时的摩尔自由能, 而第 3 项为过剩自由能 . 根据对过剩自由能的 分析, 同时综合考虑亚晶格的影响, 目前摩尔自由能通常采用的通用表达式主要 来自 Lukas 等人[5,6]的分析 , 即
2
结果与讨论
以 Al-Cu-Mg 合金为例, 我们对比分析了多元合金的简单线性化处理与本文 完全非线性模型的所得结果 , 计算时所涉及的相关热力学参数和热物性参数见 林鑫文 1). 图 1 给出了实验测定的 Al-Cu-Mg 合金系相图, 可以看出相图较为复 杂. 为了分析和处理方便, 我们选取端部固溶体进行考察 . 以铝富集区为例 , 表 1 比较了实验[7]和本文中相图计算所获得的该区主要 3 个四相平衡点, 可以看出 , 相图计算与实验结果吻合得相当好 , 说明本文的计算是精确可靠的 . 以 Al10%(原子分数)Cu-10%(原子分数)Mg 合金为例, 表 2 给出了组元线性化处理和 通 过 计 算 相 图 所 获 得 的 相 关 物 性 参 数 , 其 中 TL 为 该 合 金 的 液 相 线 温
分考虑浓度场
合金凝固界面形态演化进行了较为细致的研究 , 发展了一个适用于多元合金定 向凝固界面形态演化的准三维自洽模型 . 关键词 多元合金 计算相图 定向凝固 自洽模型
在实际应用的工业合金中 , 除了极少数纯金属和二元合金外, 绝大多数都是 多元合金 , 如常见的钢 铁以及在航空航天领域里广泛应用的铝基 镍基及钴 基合金, 这些合金之所以具有良好的性能, 很大程度上是由于多组元的相互作用 导致相或组织优化的结果[1]. 在以往的分析及处理中, 由于多元合金中各组元的 影响因素通常非常复杂, 人们为了简化问题, 常常将多组元多因素的综合作用通 过等效或其他方法简化成二元合金来加以处理 , 或考虑成多对二元合金作用的 线性叠加( 本文将此方法定义为多组元的线性化处理)[2,3]. 值得指出的是, 尽管这 些方法在有些时候确实揭示出了合金的某些特性 , 但由于多组元合金中各组元 之间的相互作用往往是一种非常复杂的非线性关系 , 因此在综合等效处理中研 究者常常无法准确地加以把握 , 进而导致简化的模型出现较大的偏差. 针对上述问题, 本文结合计算相图, 并在考虑了合金组元间的非线性交互作 用的基础上 , 发展了一个适用于多元合金定向凝固界面形态演化的准三维自洽 模型.
采用元胞自动机法模拟凝固微观组织的研究进展 2006
Ｐ ｒｏｇｒｅ ｓ ｓ ｅ ｓ ｉｎ Ｎｕｍｅ ｒｉｃａ ｌ Ｓ ｉｍｕｌａ ｔｉｏｎ ｏｆ Ｓ ｏｌｉｄｉｆｉｃａ ｔｉｏｎ Ｍｉｃｒｏｓ ｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｕｓ ｉｎｇ Ｃｅ ｌｌｕｌａ ｒ Ａｕｔｏｍａ ｔｏｎ Ｍｅ ｔｈｏｄ
Ｓ ＨＡＮ Ｂｏ－ｗｅ ｉ， ＷＥＩ Ｌｅ ｉ， ＬＩＮ Ｘｉｎ， ＨＵＡＮＧ Ｗｅ ｉ－ｄｏｎｇ （Ｓ ｔａ ｔｅ ｋｅ ｙ ｌａ ｂｏｒａ ｔｏｒｙ ｏｆ ｓ ｏｌｉｄｉｆｉｃａ ｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅ ｓ ｓ ｉｎｇ， Ｎｏｒｔｈｗｅ ｓ ｔｅ ｒｎ Ｐ ｏｌｙｔｅ ｃｈｎｉｃａ ｌ Ｕｎｉｖｅ ｒｓ ｉｔｙ， Ｘｉ＇ａ ｎ ７１００７２， Ｃｈｉｎａ ） Ａｂｓ ｔｒａ ｃｔ： Ｔｈｅ ｂａ ｓ ｉｃ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ＣＡ ｍｅ ｔｈｏｄ ａ ｎｄ ｒｅ ｖｉｅ ｗｅ ｄ ｐｒｅ ｓ ｅ ｎｔ ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒｃｈ ｐｒｏｇｒｅ ｓ ｓ ｉｎ ｄｏｍｅ ｓ ｔｉｃ ａ ｎｄ ｆｏｒｅ ｉｇｎ ｃｏｕｎｔｒｙ ｗｅ ｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ ｄ． Ｉｎ ｆａ ｃｔ， ｔｈｅ ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒｃｈ ｈａ ｄ ｄｅ ｖｅ ｌｏｐｅ ｄ ｆｒｏｍ ｇｒａ ｉｎ ｓ ｔｒｕｃｔｕｒｅ ｔｏ ｄｅ ｎｄｒｉｔｅ ｓ ｓ ｔｒｕｃｔｕｒｅ ， ｆｒｏｍ ２－Ｄ ｔｏ ３－Ｄ， ａ ｎｄ ｆｒｏｍ ｆｉｅ ｌｄ ｗｉｔｈｏｕｔ ｃｏｎｖｅ ｃｔｉｏｎ ｔｏ ｗｉｔｈ ｃｏｎｖｅ ｃｔｉｏｎ． Ｆｕｒｔｈｅ ｒｍｏｒｅ ， ｔｈｅ ｔｅ ｎｄｅ ｎｃｙ ｏｆ ｓ ｔｕｄｙ ａ ｎｄ ｄｅ ｖｅ ｌｏｐｍｅ ｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｉｓ ａ ｌｓ ｏ ｓ ｕｇｇｅ ｓ ｔｅ ｄ： ｅ ｘｉｓ ｔｉｎｇ ｍｏｄｅ ｌ＇ｓ ｇｒｏｗｔｈ ｋｉｎｅ ｔｉｃｓ ｎｅ ｅ ｄｓ ｔｏ ｂｅ ｉｍｐｒｏｖｅ ｄ， ａ ｎｄ ａ ｐｐｌｉｃａ ｔｉｏｎ ｓ ｃｏｐｅ ｎｅ ｅ ｄｓ ｔｏ ｂｅ ｅ ｘｐａ ｎｄｅ ｄ ｔｏ ｓ ｅ ｍｉ－ｓ ｏｌｉｄ ｓ ｏｌｉｄｉｆｉｃａ ｔｉｏｎ． Ｋｅ ｙ ｗｏｒｄｓ ： ｃｅ ｌｌｕｌａ ｒ ａ ｕｔｏｍａ ｔｏｎ ｍｅ ｔｈｏｄ； ｓ ｏｌｉｄｉｆｉｃａ ｔｉｏｎ ｍｉｃｒｏｓ ｔｒｕｃｔｕｒｅ ； ｎｕｍｅ ｒｉｃａ ｌ ｓ ｉｍｕｌａ ｔｉｏｎ
凝固过程数值模拟
凝固过程数值模拟嘿，朋友们！今天咱来聊聊凝固过程数值模拟这个有意思的事儿。
你说这凝固过程啊，就像是一场奇妙的舞蹈。
各种物质在特定的条件下，从液态慢慢变成固态，就好像舞者们在舞台上变换着姿势。
而数值模拟呢，就是我们观察这场舞蹈的神奇眼睛啦！想象一下，我们如果不通过数值模拟，就像闭着眼睛看舞蹈，那能看到啥呀？啥都看不清，稀里糊涂的。
但有了数值模拟，哇哦，那就完全不一样了！我们可以清楚地看到每一个细节，每一个变化。
比如说，温度是怎么影响凝固的呀，材料的成分又会起啥作用呀。
这数值模拟就像是给我们配了一个超级放大镜，能让我们把那些细微的地方都看得清清楚楚。
它能帮我们提前预测可能出现的问题，哎呀，这不就跟未卜先知似的嘛！比如说，我们能知道哪里可能会出现缺陷，然后提前想办法解决，免得事后再手忙脚乱。
你说这多厉害呀！咱就不用像没头苍蝇一样乱撞啦。
而且哦，通过数值模拟，我们还可以尝试不同的条件和参数，就像玩游戏一样，看看哪种组合能得到最好的结果。
这多有意思呀！就好比做饭，你不先试着模拟一下各种调料的搭配，直接就下锅乱做一通，那能好吃吗？肯定不行呀！但要是有了数值模拟，不就等于有了个菜谱，告诉你啥时候该放啥，放多少，那做出来的菜肯定好吃呀！再想想那些复杂的工业生产，要是没有数值模拟帮忙，那得浪费多少材料和时间呀！有了它，就能少走好多弯路呢。
所以呀，凝固过程数值模拟可真是个宝贝！它让我们对凝固这个神秘的过程不再摸不着头脑，而是能清楚地了解和掌控。
它就像我们的秘密武器，帮助我们在科学和工程的道路上越走越远，越走越好。
咱可得好好珍惜这个好东西，让它为我们发挥更大的作用呀！怎么样，是不是觉得很神奇呢？是不是也对凝固过程数值模拟有了新的认识呢？。
激光立体成形高性能金属零件研究进展_黄卫东
a lize the rap id near-ne t-shap ing o f the high perfo rmance com p lica ted m eta llic componen ts w ith fu l-l dense and w ithout using a mo ld. LSF can be used not on ly to rap id ly fabricate 3D com ponents fo r bear ing heavy load, but a lso to repa ir the com ponents w ith the comp licate shape and la rge vo lum e m anufacture defec t, the m is-m ach ined components and the serv ice damaged components. In present paper, the emphasis has been focused on obta in ing exce llentm echanical properties for LSFed m eta l parts, the m a in progresses on the research and app lication o f laser so lid form ing are rev iew ed. R esearches on m any L SFed m eta llic m ate rials show tha t the com prehensive m echan ica l prope rties of LSF ed sam ples a re usually in the c lasses of forg ing parts, wh ich results from the dense, fine and hom og eneous m icrostruc ture in LSFed parts, espec ia lly, m eta llurg-i ca-l defects- free structure can be ob tained by care fu l optim iz ing the fo rm ing and heat treatm ent pa ram e ter. T o realize the m anufacturing and repa iring o f h igh perfo rmance comp licate m eta llic components is the dom inant application o f LSF. T o rea lize the h igh perform ance repair ing of the me tallic com ponent is one of the m ost rem arkable progress for laser so lid fo rm ing recently. T he m echan ica l prope rties o f the repa ired parts by LSF can reach the w rought standa rds only w ith annealing trea-t m ent, as a result, LSF prov ide a importan tw ay for the repa ir o f som e very im portan t h igh perform ance me tallic components wh ich w as genera lly thought no t to be ab le to be repa ired in the past. It is be lieved that the repa ir o f high perform ance m etallic com ponents by L SF should be one o f the m ost prom ising app lications fo r LSF in the com ing future.
连续定向凝固技术研究
连续定向凝固技术研究摘要针对日趋活跃的金属定向凝固技术,阐述定向凝固技术的基本原理,以及其特点。
简要说明了金属定向凝固技术的应用。
介绍了目前金属定向凝固技术在国内外的发展状况,存在的问题及未来的前景。
关键词金属；定向凝固；基本原理；技术特点；应用Continuous Unidirectional Solidification TechnologyZuojinrongAMM, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, ChinaABSTRACT Directional solidification technology of metal has become ncreasingly act ive.Its basic principle and characteristics are descri bed.Its applications are also overviewed .The development state at home and abroad , problems and future prospects of directional solidification are summ arized.KEY WORDS Metal；directional solidification ；basic principle ；technicalcharacteristic ；application 绪论：金属的凝固，从传热学的角度是液态金属转变为固态的过程；从物理化学、金属学的观点就是结晶，即：形核和生长。
形核过程对金属材料晶粒的大小起着至关重要的作用；晶体生长关系到凝固后微观组织的形态，由于组成金属材料的晶体形态与金属材料的性质有关，如何控制晶体生长已成为控制金属材料性能的重要手段。
凝固组织的控制包括两方面的内容：(l)凝固组织形态的选择(2)控制凝固组织的尺寸、间距。
中国凝固技术瑰丽之花--访凝固技术国家重点实验室
中国凝固技术瑰丽之花--访凝固技术国家重点实验室
君扬;宇迪;云杉
【期刊名称】《航空制造技术》
【年(卷),期】2005(000)004
【摘要】@@ 西北工业大学座落于古都西安,是首批进入国家"211工程"和"985建设"的重点大学之一.凝固技术国家重点实验室是在西北工业大学铸造专业国家重点学科的基础上,于1989年经国家计委和教委批准,利用世界银行贷款建设的国家重点实验室.实验室于1995年建成并通过国家验收后正式对外开放,2003年通过国家科技部和国家自然科学基金委员会组织的评估,被确认为凝固技术与材料学领域科学研究、人才培养、技术创新和学术交流的基地,为国内一流的国家重点实验室.【总页数】4页(P66-69)
【作者】君扬;宇迪;云杉
【作者单位】无
【正文语种】中文
【相关文献】
1.做深基础理论研究重视铸造工业需求——访中国机械工程学会铸造分会理事长、西北工业大学凝固技术国家重点实验室主任黄卫东教授 [J], 曲学良
2.立足材料前沿 勇攀科技高峰——记西北工业大学凝固技术国家重点实验室 [J], 刘冬梅
3.立足原始创新服务国家重大需求——走进凝固技术国家重点实验室 [J], 李丹
4.西北工业大学凝固技术国家重点实验室Nb-Si基超高温合金制备技术研究取得
新进展 [J], 郭喜平
5.西北工业大学凝固技术国家重点实验室在激光立体成形技术方面取得重要研究进展——金属3D打印技术 [J], 张莹
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黄卫东著名材料科学与工程研究专家
黄卫东著名材料科学与工程研究专家
张莉
【期刊名称】《航空制造技术》
【年(卷),期】2006(000)004
【摘要】M：作为凝固技术国家重点实验室的带头人,您认为我国在现代凝固理论与技术方面与国外还存在哪些差距？还需要做什么努力？
【总页数】2页(P36-37)
【作者】张莉
【作者单位】教育部长江计划特聘教授;凝固技术国家重点实验室主任;西北工业大学教授、博士生导师
【正文语种】中文
【中图分类】TG244.3
【相关文献】
1.默默开垦“禁区”医用传送“福音”——记我国医用高分子领域著名专家、研究员黄宇彬 [J], 黄桐熊
2.著名的金属材料科学与工程专家北京航空材料研究院研究员、教授、博士生导师国家级有突出贡献专家中国工程院院士——赵振业 [J], 无
3.国家技术发明奖一等奖获得者我国材料科学与工程领域的著名专家我国粉末冶金学科带头人中国工程院院士黄伯云 [J], 无
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5.著名抗生素专家、《中国抗生素杂志》原主编、顾问黄乐毅研究员逝世 [J],
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AZ91D镁合金反重力铸造充型及凝固过程计算机模拟
AZ91D镁合金反重力铸造充型及凝固过程计算机模拟
严力;王猛;刘文锋;黄卫东
【期刊名称】《铸造技术》
【年(卷),期】2006(27)7
【摘要】给出了AZ91D镁合金的相关热物性参数,采用ProCAST铸造模拟软件对镁合金力学试棒反重力铸造充型与凝固过程进行了模拟,并通过反重力铸造工艺实验对模拟结果进行了验证。
结果表明:铸造模拟软件ProCAST可用于镁合金铸件反重力铸造充型及凝固过程的模拟,能够提供较为准确的流场、温度场等信息,实现缺陷及其位置的预测。
【总页数】6页(P723-728)
【关键词】镁合金;反重力铸造;充型;凝固;模拟
【作者】严力;王猛;刘文锋;黄卫东
【作者单位】西北工业大学凝固技术国家重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TG249
【相关文献】
1.AZ91D镁合金壳形件真空压铸充型和凝固过程的数值模拟 [J], 于彦东;蒋海燕;曾小勤;翟春泉;丁文江;罗爱华;刘新宽
2.Al-Si合金(A357)重力铸造充型及凝固过程模拟 [J], 米国发;赵恒涛;王狂飞
3.基于Fluent的重力铸造充型凝固过程数值模拟研究 [J], 邱常明; 谭宽
4.数学模型与数值模拟在铸造充型过程的应用研究——评《铸造充型凝固过程数值模拟系统及应用》 [J], 陈志伟;董萍萍;刘涛
5.镁合金低压铸造充型和凝固过程数值模拟 [J], 于彦东;王建荣;蒋海燕;付彭怀;翟春泉;丁文江;罗爱华;刘新宽
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黄捍东-反演第10课-叠前反演
⎡ ΔVp Δσ ⎤ 2 2 2 R (θ ) ≈ R0 + ⎢ A0 R0 + sin θ + (tg θ − sin θ ) 2 ⎥ 2Vp (1 − σ ) ⎦ ⎣
Vp(m/s） 2540 2680
Vs(m/s) 1120 1615
ρ (g/ cm )
3
2.3 2.1
临界角
θ = arcsin
VP1 VP 2
710
10 20 30 40 50 60 70 80 90
入射角
③模型Ⅲ相ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ参数及各公式求解结果
岩性 页岩
气砂岩
Vp(m/s） Vs(m/s) 2050 1420 785 825
ρ(g/cm )
3
2.1 1.8
波阻抗稍低 于上覆介质 的含气砂岩
0
-0.2
纵波反射系数
-0.4
-0.6
-0.8
-1
-1.2
Zoeppritz Aki Three term Shuey Two term Shuey 10 20 30 40 50 60 70 80 90
-1.4 0
入射角
④模型Ⅳ相关参数及各公式求解结果
岩性 页岩 气砂岩
-0.1
Vp(m/s） 3050 1520
Vs(m/s)
ρ (g/cm )
3
1570
925
2.3 1.9
低阻抗含气砂岩
-0.2 -0.3
纵波反射系数
偏晶合金的研究现状和发展
偏晶合金的研究现状和发展杨 森* 黄卫东 (西北工业大学凝固技术国家重点实验室 陕西西安710072)贾 均 (哈尔滨工业大学材料科学与工程系 黑龙江哈尔滨150001)摘 要 综述了在微重力和地面条件下制取具有均匀弥散相结构的偏晶合金的研究结果,指出了偏晶合金研究存在的问题和今后的研究方向。
主题词 偏晶合金 微重力 弥散相The Status and Development of Monotectic AlloyYang Sen Huang Weidong (Northwestern Polytechnical U niversity Xi p an Shaanxi710072) Jia Jun (Har bin Institute of T echonolgy Harbin Heilo ng jinng150001) Abstract Some ex periment al r esults o f obtaining the dispersed phase str uctur e in mo no tectic allo ys under micr og rav ity and g r avit y env ir oment have been summ arized in this paper.T he pro blems needed solv ing and the future dir ect ion o n mo notectic a lloy s hav e also been point ed o ut.1 引 言偏晶合金是一种应用广泛的材料,其中许多具有独特的性能,如Cu-Pb合金是很好的轴承材料, Al-Pb作耐磨材料,而Zn-Bi合金是很好的电化学材料,Bi-Ga合金具有超导性。
可是这类合金在正常凝固中将分离成组元有不同富集的两液相,由于密度的不同,极易产生偏析,严重时会出现组元分层现象,从而限制了这类偏晶合金在工业上的应用。
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回顾 . 致密组织是保证良好铸件性能的基础 . 大多数 合金在凝固过程中均伴随着体积收缩 , 可能因此导 致铸件在不良凝固条件下的组织疏松 . 为了避免此 类缺陷 , 人们通过对铸造过程进行热分析来预测铸 件内部疏松发生的概率及位置 , 进而优化温度场来 获得致密的铸件 . 热节圆法、模数法在早期用于铸件 凝固过程的热分析 , 如周尧和等人 [1]就基于模数法分 析提出了后续在钢铁铸件生产中广泛应用的保温冒 口工艺 . 随着数值计算方法的发展 , 人们进一步通过 耦合流动及相变过程的温度场数值计算方案来开展 更为精确的铸件凝固过程热分析 , 可以实现铸件疏 松缺陷的良好预测 . 与此同时 , 通过在铸件热分析过 程中耦合应力场分析 , 可以实现铸件热裂倾向的预 测 ; 通过分析充型流动, 可以考察夹杂物的运动状态 , 从而实现夹杂分布缺陷的预测 . 铸件凝固条件的差异会导致不同的凝固组织形 成 , 进而对应不同的铸件性能 . 沿壁厚方向由外向内 铸件中通常形成表面激冷晶、定向柱状晶、中心粗大 等轴晶 3 个晶区分布 : 铸件表层冷却强度高 , 大量晶 粒快速形核从而形成了细小等论描述的研究进展
计算机数值仿真技术的发展 , 提供了精确定量
地描述凝固过程的手段 . 凝固过程数值仿真经历了 从简单到复杂的进步过程 . 凝固过程是温度场、流 场、浓度场、应力场和相变相耦合的过程 , 有的特殊 工艺过程中还涉及到电磁场或化学反应 . 要对实际 铸件的凝固过程进行精确的数值仿真 , 必须完全耦 合所有这些因素 , 这对数值仿真来讲也是极为艰巨 , 是还需要经过相当长时间的努力才能完成的任务.
[10,11] [9] [7]
Fe-C 合金中的典型凝固组织形成规律 . 相关研究也 表明 , 微量元素对棱面相生长形态有显著影响 , 通过 添加适量的微量合金化元素 , 有助于优化凝固组织 中棱面相的生长形态从而提升铸件性能 [18,19].
2.2
体积平均法 : 宏观凝固过程与微观结晶行为 双向耦合模拟的可行途径
在常见的铸件尺度上 , 早期对于凝固过程的描
述主要集中于宏观温度场及流动场的分析 , 借助于 经验性判据可以实现宏观层面液相区、糊状区、固相 区构成及细微组织特征的粗略说明 . 而精确的可视 化凝固过程描述要求就固相形核、晶粒生长形态、溶 质排出、晶粒漂移、液相流动、温度分布等不同层次 的诸多问题形成准确认识 , 建立可靠的物理模型 . 通 过耦合宏微观不同层次凝固过程的数理描述 , 借助 计算机模拟实现获得图形化的组织形成过程演示, 则是验证并加深凝固过程精确描述体系认识的重要 手段 . 凝固过程宏微观耦合的计算量控制是需要特别 考虑的问题 . 为了实现凝固过程宏微观的双向耦合 模拟 , 研究者们开展了大量工作 . Beckermann 课题 组 [20,21] 首 先 将 多 相 流 动 分 析 用 于 凝 固 过 程 的 模 拟 , 把凝固过程中涉及到的物相区分为液相、 固相及枝晶 间液相 , 分别求解各相的质量、动量、溶质、热焓守 恒方程 , 并以模型化方式考虑相间作用及转变 . 然而 这一方案因缺少一个合理的形核模型 , 且过度追求 统一性而变得复杂 , 难于实际操作 . 此后 , Beckermann 的模型被 Ludwig 和 Wu[22~24] 进一步修改并应用到等轴球晶的凝固过程模拟当中 . 在 Ludwig 和 Wu[23]建立的多相模型中 , 他们对各相 同时求解质量、动量、热量、组分方程与一组密度守 恒方程 ; 对于各相的生核规律、生长动力学、潜热释 放、溶质分布和机械作用等问题 , 则通过相应的传输 方程和数学模型来加以整合 . 为了实现宏微观凝固 过程的双向耦合 , Wu 和 Ludwig[25]基于体积平均法 , 采用如图 1 所示的处理方案来实现跨层次的参数传 递 , 在宏观层面采用欧拉多相模型完成熔体、不同物 相等轴晶、柱状晶、固相之间相互作用的描述 , 并以 此作为微观层次模拟的外部条件 ; 微观层次模拟中 应用界面跟踪法或其他较为精确的凝固理论模型来 获得可接受的固相生长具体形态的描述 ; 对具体的 固相生长形态 , 采用包络平均的方法来概括其宏观
[3] [2]
最初的凝固过程仿真只单一地计算温度场 , 虽然同 早期的传热过程数学分析方法相比能够更为准确地 反映铸造过程的温度场 , 但由于大多数实际凝固过 程都伴随着显著的以致强烈的液相对流 , 针对静止 流体的温度场计算同实际的温度场必然相差很远. 因此第二阶段的凝固过程数值仿真耦合了温度场与 流场 , 它可以给出相当准确的温度场信息 , 这是铸造 商业软件当前的发展水平 . 由于不涉及凝固过程的 计算 , 目前的商业软件不能给出宏观偏析和材料组 织状态的信息 , 而这正是理解和控制铸件性能最重 要信息 . 本文所指的凝固过程精确理论描述 , 最低限 度应该是耦合了温度场、流场、浓度场和相变过程的 数值仿真 , 这是当前凝固科学界正在努力的方向 , 这 方面的研究进展使面向实际铸件的复杂凝固过程的 精确理论描述曙光初现 . 凝固过程精确的数值仿真 依赖于计算机能力、 数值模拟方法和凝固理论 3 个方 面的发展, 下面将综述后两方面的一些主要进展情况.
摘要
回顾了凝固过程理论描述及数值模拟的发展历史, 对其研究现状和存在问题进行了评
关键词
凝固过程 精确理论描述 数值模拟 宏微观耦合
述, 重点分析了与凝固组织形成相关联的理论研究要点, 对目前已经建立的宏微观结合/耦合 凝固过程描述及模拟方法进展进行了归纳总结, 在此基础上对凝固过程精确理论描述和数值 模拟的前景及趋势进行了展望.
凝固在自然界及人类生产实践中占有十分重要的 地位. 从熔岩冻结为地壳到海洋中冰山浮现 , 都是自 然演进历程中凝固过程的重要体现 . 而在人类的生 产实践中 , 从矿石冶炼到金属构件的铸造成形、焊接 组合 , 无一不涉及到凝固过程 . 作为从液态金属到最 终构件的最直接成形途径 , 铸造同时也是现有材料 成形方法中最为复杂的工艺过程 . 使特定成分合金 液在外场约束条件下完成凝固过程 , 可以获得具备 不同内部组织及外部形态的铸件 . 深入理解并准确 掌握外场约束条件下的凝固过程 , 是实现铸件性能 控制和优化的前提 . 建立凝固过程的精确理论描述 和可靠数值模拟 , 在此基础上实现凝固过程的精巧 控制 , 获得铸造工艺和铸件性能的最佳优化 , 已经成 为了当前物理冶金学家及材料研究学者的关注热点 .
1
凝固过程的早期理论描述
凝固过程的早期理论描述主要基于热分析、 流动
分析、形核理论、凝固形态学等而建立 . 通过理论描 述与生产实践的相互结合、印证 , 已经能够在一定程 度上实现对铸件典型组织和缺陷的定性预测和控制 . 以下将对凝固过程早期理论描述的发展进行简要
引用格式 : 黄卫东 , 王猛 . 凝固过程数值模拟的研究进展和发展趋势 . 科学通报 , 2014, 59: 845–853 英文版见 : Huang W D, Wang M. Progress and development trends in the numerical modeling of solidification. Chin Sci Bull, 2014, 59, doi: 10.1007/s11434013-0092-6
846
评 述
布范围的观点 , Warren 和 Langer[6]对枝晶列稳态扩散 场进行线性稳定性分析 , 得出了一次间距分布范围 下限的分析模型 ; Lu 和 Hunt 基于同样的观点 , 应用 数值模拟技术给出了一次间距分布范围下限的数值 模型 . 此后 , 枝晶 / 胞晶一次间距选择的容许范围的 精确实验结果 [8] 则导致了在凝固界流行了多年的确 定性凝固理论彻底退出历史舞台 , 并推动了以非平 衡自组织理论为指导的新的凝固理论的发展 . 对 于 柱 状 晶 / 等 轴 晶 转 变 (columnar to equiaxed transition, CET)机制的认识不断深化 . Hunt 模型 是 第一个较为成熟的考虑 CET 的理论模型 , 该模型认 为在定向生长条件下 , 如果凝固界面前沿的最大局 域过冷度高于形核过冷度 , 就有可能形核并发生等 轴晶生长 ; 当等轴晶的体积分数小于 0.49%时 , 凝固 组织可能为柱状晶 , 而当其大于 49%时 , 凝固组织可 能为等轴晶 , 等轴晶的体积分数在两个临界值之间 时会形成柱状晶和等轴晶混合的生长形态. 此后, Gäumann 等人
2014 年
第 59 卷
第 10 期： 845 ~ 853
评 述
《中国科学》杂志社
SCIENCE CHINA PRESS
专题 : “ 材料基因组 ” 计算模拟应用
凝固过程数值模拟的研究进展和发展趋势
黄卫东①②*, 王猛①②
① 凝固技术国家重点实验室 , 西安 710072; ② 西北工业大学材料学院 , 西安 710072 * 联系人 , E-mail: huang@ 2013-04-10 收稿, 2013-06-05 接受, 2013-08-08 网络版发表 国家重点基础研究发展计划 (2011CB610402)资助
2.1
深刻认识凝固组织形成原理 : 凝固过程精确 描述的科学基础
对凝固组织形成原理的深刻认识是实现凝固过
程精确描述的科学基础 . 近几十年来 , 凝固理论研究 一直聚焦于深刻理解凝固组织的形成原理 . 可以说 , 我们对凝固过程中出现的绝大多数类型的组织形态 都已经有了相当全面深入的认识 , 使得我们今天可 以提出对复杂的实际凝固过程进行精确描述这样一 个过去不可想象的艰巨任务 . 自成分过冷理论作为理解凝固组织的第一个科 学理论被提出之后 , 凝固理论不断取得新突破 , 对于 凝固过程的定量化理解也不断得到深化 , 如 : MS 理 论 [4]进一步给出了界面失稳的尺度描述 , 成功地预言 了随着生长速度的提高 , 固液界面形态将经历从平 界面→胞晶→树枝晶→胞晶→带状组织→绝对稳定 平界面的转变 . 一次枝晶间距选择是凝固微观组织花样形成中 最重要的问题之一 . 早期所建立的几个一次枝晶间 距理论模型都潜在地假定一次枝晶间距与凝固系统 的当前状态具有确定的单值对应关系 , 而其预测与 实验结果之间存在较大的偏差 . 黄卫东 [5]从耗散结构 论的基本原理出发 , 提出枝晶一次间距的选择具有 历史相关性 , 从而存在一个分布范围的观点 , 并通过 实验予以证实 . 基于一次枝晶间距选择存在一个分