Al-Si合金近液相线铸造过程中液/固相变的相场法模拟

论文摘要

本文利用相场法对Al-Si合金近液相线铸造过程中的组织演变进行模拟,研究了半固态合金组织与合金成分及工艺条件之间的关系,从而得到最佳的半固态合金及其成形工艺条件,对于Al-Si半固态合金的开发具有重要意义。本文采用准连续形核模型和窄带固／液界面法计算了Al-Si合金近液相线铸造过程中凝固组织的演变,得到了近液相线铸造中工艺条件对铸锭不同部位的微观组织的影响。通过对Si含量为5.0%、7.0%及9.0%的Al-Si合金进行了组织演变模拟,得到合适的半固态合金成分及其工艺参数,结果表明：（1）合金熔体在常规浇注温度（950.0K）浇注时获得的锭坯中心部位的组织是粗大晶粒,且极不均匀；在略高于液相线温度10.0K左右（900.0K）下保温浇注获得的铸造组织较好,中部和边部组织差异不大；在液相线温度（888.0K）下进行保温浇注获得的锭坯中心和边部组织均是均匀、细小的近球形组织,平均晶粒直径为25.0μm～32.0μm。（2）浇注速度较大时,即达到4.0×10-3m/s,晶粒比较粗大,呈长条状；随着浇注速度的减小,晶粒越来越细小,越来越均匀,而且球化比较明显,当浇注速度为1.5×10-3m/s时,晶粒呈球形方式长大,晶粒比较细小,分布均匀,而且球化明显。（3）Si含量为5.0%、7.0%、9.0%的Al-Si合金在浇注速度为2.0×10-3m/s时近液相线保温浇注得到的半固态组织进行对比可知,Al-7.0%Si合金的组织最好,晶粒相对均匀、细小、圆整。通过本文模拟得到Al-Si合金近液相线铸造最佳工艺条件为：合金为Al-7.0%Si、浇注速度为2.0×10-3m/s、浇注温度为888.0K。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 本文研究背景
• 1.1.1 半固态成形技术的特点
• 1.1.2 近液相线铸造法
• 1.1.3 铝硅合金简介
• 1.2 金属凝固过程组织模拟
• 1.2.1 凝固过程的宏观尺度模拟
• 1.2.2 凝固过程的介观尺度模拟
• 1.3 本文的研究内容、目的及意义
• 第2章 理论模型
• 2.1 温度场模型
• 2.2 相场模型
• 2.3 浓度场模型
• 2.4 多晶粒处理方法
• 2.4.1 形核
• 2.4.2 相场
• 第3章 模拟结果与讨论
• 3.1 模型的数值求解及程序实现
• 3.1.1 数值求解
• 3.1.2 算法的优化
• 3.1.3 程序的实现
• 3.2 温度场模拟
• 3.2.1 浇注速度对温度场的影响
• 3.2.2 浇注温度对温度场的影响
• 3.3 晶粒长大过程模拟
• 3.4 介观组织模拟
• 3.4.1 浇注温度对Al-Si合金半固态组织的影响
• 3.4.2 浇注速度对Al-Si合金半固态组织的影响
• 3.4.3 成分对Al-Si合金的半固态组织的影响
• 第4章 结论
• 参考文献
• 致谢