Ti-Al合金定向凝固組織演化的數(shù)值模擬.pdf

1、本文采用數(shù)值模擬方法研究了Ti-Al合金定向凝固組織演變過程，論文工作有助于深入理解Ti-Al合金定向凝固組織形成規(guī)律，并為今后實驗研究及控制組織形貌提供參考。
　　對于受溶質(zhì)擴(kuò)散控制的單相凝固過程，提出了溶質(zhì)擴(kuò)散控制模型結(jié)合元胞自動機(jī)方法模擬合金組織演化的模型。在模型中，采用擴(kuò)散流方法來處理固/液界面兩側(cè)不連續(xù)的物理性質(zhì)。隨后利用這種模型模擬了 Al-30wt.％Cu合金組織演變過程，并與實驗結(jié)果和理論分析結(jié)果對比，以驗證模型的

2、準(zhǔn)確性。結(jié)果表明，模擬結(jié)果與經(jīng)典凝固理論相符合，說明該模型的準(zhǔn)確性。模擬結(jié)果同時與實驗結(jié)果吻合良好，證明這種方法的有效性。此外，模擬還再現(xiàn)了定向凝固實驗經(jīng)常觀察到的尖端分裂現(xiàn)象，模擬獲得的枝晶形態(tài)與實驗結(jié)果一致。
　　借助上述模型，對 Ti-Al合金在發(fā)生液固相變Lβ→或者Lα→單相定向凝固過程中組織的動態(tài)演化過程進(jìn)行了模擬。通過模擬，取得了與實驗相吻合的一些重要結(jié)果，如枝晶臂的粗化和根部頸縮，以及枝晶臂間的碰撞、融合和競爭生長等

3、。在此基礎(chǔ)上，模擬了定向凝固參數(shù)影響下組織演化過程，結(jié)果表明，隨著抽拉速度增大，凝固形態(tài)經(jīng)歷了平面→胞晶→胞狀樹枝晶→樹枝晶轉(zhuǎn)變過程。在平界面生長階段，整個固液界面是以近平界面方式生長，而在胞晶/枝晶混合生長階段，胞/枝晶間距不均勻，形核數(shù)量的增加有助于改善間距的不均勻度。在一定的抽拉速度下，隨著溫度梯度增大，枝晶間距減?。欢鴾囟忍荻容^低時，在胞晶/枝晶混合生長階段，胞/枝晶間距出現(xiàn)最大值。
　　對凝固相為β和α作為單相生長時組織

4、演化過程進(jìn)行了對比模擬，發(fā)現(xiàn)由于溶質(zhì)分配系數(shù)、液相線斜率存在很大差別，在凝固條件相同的情況下，β相凝固界面形態(tài)更多表現(xiàn)為胞晶或枝晶，而α相多為平面或胞晶，模擬結(jié)果與理論推導(dǎo)相一致。
　　在溶質(zhì)擴(kuò)散控制模型基礎(chǔ)上，建立了柱狀晶/等軸晶轉(zhuǎn)變(CET)的溶質(zhì)影響模型，利用該模型模擬了定向凝固參數(shù)(溫度梯度、抽拉速度、晶核間距、形核過冷度)對CET的影響。結(jié)果表明，溫度梯度、抽拉速度對CET影響定性地符合Hunt解析解。橫向晶核間距影響比

5、縱向大；形核過冷度增加， CET推遲；柱狀晶間距不僅與溫度梯度、抽拉速度有關(guān)，而且可通過激活預(yù)置晶核使其生長為柱狀晶而得以調(diào)整，特別是溫度梯度在30K/mm～50K/mm之間，形核有較強(qiáng)的調(diào)節(jié)柱狀晶間距的作用。
　　根據(jù)成分過冷準(zhǔn)則以及相穩(wěn)定生長的最高界面溫度判據(jù)，對 Ti-Al合金初生β相作為單相領(lǐng)先生長時，包晶相直接凝固過程進(jìn)行了模擬，獲得了凝固組織的動態(tài)演化過程，以及與實驗觀察相吻合的現(xiàn)象。研究表明α相依附于β相生長，在β相