【摘要】：氣霧化法是制備金屬粉體的重要方法,和常規(guī)凝固相比,氣霧化快速凝固工藝能顯著減少偏析、細(xì)化組織以及增大合金成分的固溶度,因此具有廣泛的應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)氣霧化工藝的研究主要集中在霧化設(shè)備和霧化工藝的提高,對(duì)霧化液滴快速凝固組織及其形成機(jī)理的研究比較缺乏,需要進(jìn)行深入的探討和研究。計(jì)算機(jī)模擬是研究凝固組織的一種有效手段,在金屬凝固的微觀組織模擬中,通過枝晶生長(zhǎng)模型確定枝晶尖端的動(dòng)力學(xué)可模擬枝晶形貌,而現(xiàn)有的快速凝固枝晶生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型主要用于二元稀釋合金,因此本文通過對(duì)快速凝固枝晶生長(zhǎng)模型的擴(kuò)展和修正,使其可以適用于多元非稀釋合金,并運(yùn)用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,研究多元非稀釋合金ASP30高速鋼霧化液滴的凝固組織及其轉(zhuǎn)變機(jī)理。首先,通過對(duì)多元非稀釋合金ASP30高速鋼霧化液滴凝固特性進(jìn)行理論計(jì)算,得出不同液滴直徑對(duì)換熱系數(shù)、冷卻速度以及過冷度的變化規(guī)律,得出隨著液滴直徑的減小,換熱系數(shù)、冷卻速度以及過冷度均呈增大的趨勢(shì)。研究結(jié)果表明當(dāng)液滴直徑減小至60μm左右,各項(xiàng)凝固特性均有一定程度的突變發(fā)生。通過DTA實(shí)驗(yàn)對(duì)相轉(zhuǎn)變和過冷度變化規(guī)律進(jìn)行分析,得出粉體直徑對(duì)相變點(diǎn)溫度的影響規(guī)律為:粉體直徑越小,熔化曲線和凝固曲線中相變點(diǎn)的溫度越低。冷卻速度對(duì)相變點(diǎn)溫度的影響規(guī)律為:冷速越大,凝固曲線中相變點(diǎn)的溫度越低。過冷度的變化規(guī)律為:隨著粉體直徑的減小,過冷度增大;隨著冷卻速度的提高,過冷度也增大。其次,本文對(duì)經(jīng)典BCT枝晶生長(zhǎng)模型進(jìn)行擴(kuò)展和修正,將原模型中簡(jiǎn)化的Aziz溶質(zhì)截留模型擴(kuò)展為適用于多元非稀釋合金的CGM模型,并對(duì)線性固液相線假設(shè)進(jìn)行修正,即將原模型中的溶質(zhì)分配系數(shù)k修正為隨溫度變化的函數(shù),使擴(kuò)展模型可適用于多元非稀釋合金快速凝固過程;對(duì)物性參數(shù)進(jìn)行修正,從常數(shù)修正為隨溫度變化的函數(shù),使模型更接近實(shí)際凝固過程。比較擴(kuò)展的EBCT模型和原BCT模型,得出模型的擴(kuò)展對(duì)擁有大過冷度的小液滴的影響更加顯著。自定義了兩個(gè)函數(shù)f,和F,對(duì)擴(kuò)展得出的EBCT模型進(jìn)行數(shù)值求解,通過Fortran語言編程輔助運(yùn)算,最終得出快速凝固枝晶生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)曲線,并結(jié)合元胞自動(dòng)機(jī)方法模擬預(yù)測(cè)不同直徑的多元非稀釋合金ASP30高速鋼霧化液滴的凝固組織,并通過掃描電鏡對(duì)液滴凝固組織進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明,小液滴更易形成柱狀晶組織,而大液滴更易形成等軸晶組織,擴(kuò)展的EBCT模型的模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。再次,對(duì)影響霧化液滴快速凝固組織的主導(dǎo)因素進(jìn)行研究,采用影響因素分離的方法分別研究過冷度、冷卻速度以及液滴直徑對(duì)快速凝固組織的影響,最終得出過冷度是影響凝固組織轉(zhuǎn)變的主導(dǎo)因素。研究了不同工藝參數(shù)過熱度、氣體軸向速度對(duì)霧化液滴凝固組織的影響,得出過熱度和氣體軸向速度對(duì)液滴凝固組織的影響較小。最后,對(duì)快速凝固過程的12個(gè)重要影響因素進(jìn)行無量綱化因次分析,得出由7個(gè)無量綱數(shù)組成的無量綱相似準(zhǔn)數(shù)群。通過對(duì)相似準(zhǔn)數(shù)的分析,研究了快速凝固組織轉(zhuǎn)變的機(jī)理,得出了無量綱數(shù)的臨界值。對(duì)無量綱數(shù)群中的四個(gè)重要的物性參數(shù)界面能、熔化潛熱、比熱以及熱導(dǎo)率進(jìn)行分析,并結(jié)合擴(kuò)展的EBCT枝晶生長(zhǎng)模型,研究物性參數(shù)對(duì)霧化液滴枝晶生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)的影響,得出界面能越小、熔化潛熱越小、比熱越大、熱導(dǎo)率越大的材料,相同的過冷度時(shí)枝晶生長(zhǎng)速度越快。
【學(xué)位授予單位】：上海大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TF123.112

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本文編號(hào)：2568677