TiAl合金锭凝固组织形成的数值模拟

论文摘要

本文采用宏微观相结合的元胞自动机方法,对Ti-（4548）at%Al合金锭凝固过程中凝固组织形成进行了模拟。本文提出了一种新的随机性模拟方法:在处理元胞固相分数改变时考虑包晶反应动力学的影响。首次在组织模拟过程中考虑缩孔的形成。模拟缩孔形成时对模拟方法进行了改进,使模拟基于微观元胞,从而解除了对宏观网格尺寸的限制并且真正做到缩孔模拟与组织形成相耦合。本文设计了移动内存分配技术（MA）,用以解决大尺寸锭模拟过程中计算量大、计算时间长的问题,且程序编制简单,最多可节约计算时间66.7%。同时本文还提出了适合铸锭凝固过程的柱状晶向等轴晶转变（CET）判据。基于所提出的模型和计算方法,针对小/大尺寸铸锭,在无/有自然对流的情况下,本文系统的研究了凝固过程中各种工艺参数,如合金成分、铸型材质、预热温度、过热、铸锭尺寸以及金属/铸型界面换热系数,对等轴晶区所占比例和平均晶粒尺寸的影响。模拟结果显示:增加合金成分,有利于等轴晶区的形成以及组织的细化。模拟TiAl多元合金（Ti-（4548）at%Al-2Cr-2Nb）的凝固,与Ti-（4548）at%Al二元合金相比,第三、第四组元的加入,会更容易促进细小等轴晶区的形成。减小金属型的导热系数,在选择不同金属/铸型界面换热系数时,对于不同尺寸的铸锭,等轴晶区比例增加的程度不同。而采用非金属型铸造时,如砂型,基本可以得到完全粗大等轴晶组织。随着预热温度的增加,等轴晶区尺寸增大,组织粗化。减小熔体过热,会促进等轴晶区的形成,但在某一范围内改变过热对等轴晶区的形成没有影响。增加铸锭尺寸,有利于等轴晶区的形成,并且晶粒尺寸也随之增加。减小金属/铸型界面换热系数,会明显的扩大等轴晶区,但不会减小晶粒尺寸。在凝固过程中考虑自然对流时,流动有利于细小等轴晶区的形成。与传统固相分数计算方法相比,当计算中考虑包晶反应动力学时,一个时间步长内固相分数变化率会降低,这会导致冷却速率增大。无论采用哪一种方法进行模拟,冷却曲线上均不会出现包晶反应平台。通过分析包晶相分数和冷却速率、合金成分以及二次枝晶臂间距之间的关系,可以看到与其它因素相比,合金成分对所生成包晶相数量影响最大。根据实际浇注条件,分别针对Ti-45at%Al梯形锭,Ti-45at%Al-2Cr-2Nb圆柱形锭,Ti-48at%Al-2Cr-2Nb锥形锭以及Ti-46at%Al阶梯型离心铸造件

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 凝固理论研究现状
• 1.2.1 成分过冷理论
• 1.2.2 非平衡溶质再分配
• 1.2.3 形核理论
• 1.2.4 枝晶生长动力学
• 1.2.5 CET 转变理论
• 1.2.6 宏观传输
• 1.3 凝固微观组织模拟研究现状
• 1.3.1 确定性方法
• 1.3.2 概率性方法
• 1.3.3 相场方法
• 1.4 主要研究内容
• 第2章 铸锭凝固过程宏微观统一模型
• 2.1 引言
• 2.2 宏观计算与微观计算相耦合
• 2.3 宏观计算模型
• 2.3.1 液体充型流动的数学模型
• 2.3.2 宏观传输数学模型
• 2.3.3 初始条件和边界条件的确定
• 2.4 微观动力学模型
• 2.4.1 形核模型
• 2.4.2 枝晶尖端生长动力学模型
• 2.4.3 包晶相凝固生长模型
• 2.4.4 固相分数计算方法
• 2.5 柱状晶向等轴晶转变模型
• 2.6 凝固过程中缩孔的形成
• 2.7 数值计算方法
• 2.7.1 液体充型过程数值模拟方法
• 2.7.2 凝固过程自然对流数值模拟方法
• 2.7.3 凝固过程中晶粒组织形成的 CA 模拟方法
• 2.8 移动内存分配方法
• 2.9 程序流程图
• 2.10 本章小结
• 第3章 无对流情况下工艺参数对 CET 的影响
• 3.1 引言
• 3.2 相图计算
• 3.3 铸型材质对 CET 的影响
• 3.3.1 小尺寸铸锭在金属型中的凝固
• 3.3.2 小尺寸铸锭在砂型中的凝固
• 3.3.3 大尺寸铸锭在金属型中的凝固
• 3.4 预热温度对 CET 的影响
• 3.4.1 小尺寸铸锭
• 3.4.2 大尺寸铸锭
• 3.5 过热对 CET 的影响
• 3.5.1 小尺寸铸锭
• 3.5.2 大尺寸铸锭
• 3.6 合金成分对 CET 的影响
• 3.6.1 小尺寸铸锭
• 3.6.2 大尺寸铸锭
• 3.7 凝固参数对 CET 的综合影响
• 3.8 移动内存分配技术与普通计算方法的对比
• 3.9 包晶相的分布
• 3.10 本章小结
• 第4章 自然对流情况下工艺参数对 CET 的影响
• 4.1 引言
• 4.2 自然对流情况下凝固组织的形成
• 4.3 过热对 CET 的影响
• 4.4 合金成分对 CET 的影响
• 4.5 铸锭高度对 CET 的影响
• 4.6 铸型材质对CET 的影响
• 4.7 预热温度对CET 的影响
• 4.8 本章小结
• 第5章 实验验证
• 5.1 实验装置和实验方法
• 5.2 实验结果和模拟结果的比较
• 5.2.1 梯形铸锭凝固组织的比较
• 5.2.2 圆柱形铸锭凝固组织的比较
• 5.2.3 圆锥形铸锭凝固组织的比较
• 5.2.4 阶梯形铸件凝固组织的比较
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢
• 个人简历