【摘要】：半固態(tài)成型技術(shù)的關(guān)鍵在于半固態(tài)漿料的制備,而半固態(tài)漿料制備中球狀組織的形成和球狀組織的演化過程一直是物理學(xué)家和材料學(xué)家們研究的熱點(diǎn)。微觀組織的結(jié)構(gòu)形貌決定了材料的組織性能,深入研究半固態(tài)凝固過程中枝晶生長演變對(duì)進(jìn)一步提高材料性能有重要作用。相場法作為一種比較成熟的數(shù)值模擬方法,可以有效模擬平衡狀態(tài)下微觀枝晶組織形成過程。本文以KKS相場模型為基礎(chǔ),建立相場與流場和溶質(zhì)場相藕合的相場模型,結(jié)合半固態(tài)組織特點(diǎn),引入晶核自旋,并對(duì)質(zhì)量和動(dòng)量控制方程進(jìn)行求解。根據(jù)控制方程的特點(diǎn)采用不同的離散方法進(jìn)行求解。最后編制求解程序,求解離散的控制方程。通過Origin9.0數(shù)據(jù)分析軟件分析程序運(yùn)算數(shù)據(jù)得出可視化結(jié)果,從而分析枝晶生長過程和各因素對(duì)枝晶形貌和溶質(zhì)分布的影響。本文分別對(duì)二元合金和三元合金進(jìn)行了數(shù)值模擬,探究半固態(tài)球狀組織的形成過程。研究結(jié)果表明:晶核自旋是枝晶由樹枝狀向薔薇狀進(jìn)而向球狀轉(zhuǎn)化的重要因素。流場作用下熔體沖刷枝晶,使被沖刷面枝晶加速生長,而未被沖刷面枝晶抑制生長,晶核自旋使這種促進(jìn)與抑制作用周期性對(duì)換,枝晶在各個(gè)方向上基本共同生長,流速的增加和過冷度的增大都加快了枝晶的生長,從而進(jìn)一步促進(jìn)枝晶向薔薇狀轉(zhuǎn)化最后形成球狀組織;枝晶自旋角速度的增加使枝晶臂彎曲程度加大進(jìn)而使枝晶有明顯旋向生長趨勢;不論是對(duì)二元合金還是三元合金,流速的增加都會(huì)促使晶粒的較快生長,并且二次枝晶臂生長尤為明顯;初始溫度的降低使枝晶凝固時(shí)的過冷度增大,進(jìn)而加快了合金中溶質(zhì)的擴(kuò)散速度,枝晶生長隨之加快;
【圖文】：

熔斷或折斷的方式從主枝上分離下來，這種枝晶的碎斷從而引起了晶粒的繁殖[26-29]。 Wannasin等[30]則認(rèn)為在凝固過程中攪拌會(huì)引起了枝晶的碎斷或重熔，因而變成二次晶核，這是非枝晶形成的機(jī)制。M.C.Flemings[31]教授等提出結(jié)晶開始時(shí)，晶核是以枝晶形式生長的，但在強(qiáng)烈的對(duì)流作用下造成晶粒間相互碰撞磨損、剪切以及液體對(duì)晶粒的沖刷，，強(qiáng)烈的對(duì)流可能促使枝晶臂從枝晶上斷裂脫落下來，脫離的枝晶臂在強(qiáng)迫流場的作用下形成等軸晶粒的異質(zhì)核心，同時(shí)枝晶自身原有結(jié)構(gòu)也在強(qiáng)對(duì)流作用下發(fā)生變化，枝晶向薔薇狀轉(zhuǎn)化。溫度下降的同時(shí)過冷度也隨之增加從而促使薔薇狀枝晶向球狀結(jié)構(gòu)過度。Vogel 和 Cantor[32]等研究發(fā)現(xiàn)機(jī)械攪拌條件下固液界面更加容易失穩(wěn)，這一研究現(xiàn)象與大量實(shí)驗(yàn)觀察相悖，為了更好地解釋強(qiáng)迫對(duì)流下所出現(xiàn)的晶粒細(xì)化現(xiàn)象，Vogel和 Cantor 進(jìn)一步提出：枝晶臂破碎機(jī)制用于更好地揭示晶粒的增殖，并且認(rèn)為強(qiáng)對(duì)流對(duì)枝晶所產(chǎn)生的強(qiáng)大剪切力是使側(cè)向枝晶臂彎曲的原因。枝晶臂產(chǎn)生的大幅度錯(cuò)位，并且在較高溫度下枝晶臂會(huì)形成角度較大的結(jié)晶，這時(shí)的晶界能相較與固液界面能要大好多，從而導(dǎo)致枝晶臂分離，二次枝晶臂從初生相上脫離（圖 1-1）[33]。并以脫落的枝晶臂為核心再進(jìn)行結(jié)晶生長。

可以通過加強(qiáng)均值形核與晶體分離來實(shí)現(xiàn)半固態(tài)漿料中晶粒的g等[38]認(rèn)為在電磁攪拌作用下引起的強(qiáng)烈對(duì)流，使熔體均質(zhì)形核，初化；熔體中強(qiáng)烈的對(duì)流能改變初生晶粒生長的形貌，使的枝晶各個(gè)方趨于一致，枝晶有樹枝狀向薔薇狀轉(zhuǎn)變最終變成近球形。De Figuerelemings 的研究結(jié)果表明，凝固初期熔體內(nèi)形成大量的固相晶粒[40]，的固相晶粒并非以枝晶形式生長，而是以非枝晶形式生長從而形成了液的顯微組織[39]。有研究者認(rèn)為，在半固態(tài)漿料形成中枝晶會(huì)直接，而非有樹枝狀轉(zhuǎn)化或枝晶的碎斷和熟化形成的。有的文獻(xiàn)則認(rèn)為激使初生晶體直接在液相線以上長成球狀。awell[41]根據(jù) M.C.Flemings 早期的觀點(diǎn)，分析合金在接近熔點(diǎn)附近時(shí)提出攪拌只會(huì)使枝晶臂發(fā)生塑性或彈性變形，但不足以使枝晶臂發(fā)生晶上脫落下來，并認(rèn)為二次枝晶臂在枝晶根部分離脫落的原因在于溶部聚集和熱對(duì)流時(shí)產(chǎn)生的重新熔化。由于對(duì)結(jié)晶形核與長大過程進(jìn)行非常困難的，所以大多數(shù)理論都是建立在對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)間接觀察，個(gè)理論便很難解釋枝晶形核與長大各種現(xiàn)象。
【學(xué)位授予單位】：南昌航空大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TG21

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本文編號(hào)：2532412