發(fā)布時(shí)間：2021-07-06 21:20

　　鈦合金具有密度低、強(qiáng)度高、耐蝕性好以及優(yōu)良的耐高溫性能和生物相容性等特點(diǎn),因此被廣泛應(yīng)用于航空航天以及醫(yī)療設(shè)備等方面,但鈦合金的加工性能較差,采用傳統(tǒng)的去除材料加工方法的成本高昂。隨著增材制造技術(shù)的不斷發(fā)展,增材制造技術(shù)在鈦合金上的應(yīng)用引起了研究人員廣泛關(guān)注。TC4鈦合金由于其出色的性能,是當(dāng)前使用最多的鈦合金材料,電弧增材制造技術(shù)具有成本低、設(shè)備較為簡(jiǎn)單且易于控制的特點(diǎn),廣泛應(yīng)用多種材料的增材制造技術(shù)中。使用電弧增材制造技術(shù)制備TC4鈦合金零部件是最為經(jīng)濟(jì)的。金屬材料的力學(xué)性能主要取決于晶粒的形態(tài)、大小及取向等因素,由于難以對(duì)增材制造過程中晶粒的形核、生長及演變過程進(jìn)行直接觀察,采用物理建模的數(shù)值分析方法可深入分析復(fù)雜熱源條件下晶粒的形核、生長及演變行為,并探究增材制造過程在特殊熱循環(huán)下,晶粒形貌形成原因及機(jī)理。本文結(jié)合蒙特卡洛方法（Monte Carlo,MC）MC和CA（Cellular Automaton,CA）方法建立非熱平衡條件下的多取向物相模型,對(duì)增材制造中熔池凝固過程以及晶粒形核和生長行為進(jìn)行了二維及三維數(shù)值分析。數(shù)值模型采用六邊形網(wǎng)格,使用蒙特卡洛方法對(duì)熔池不同位置的... 

【文章來源】：蘭州理工大學(xué)甘肅省

【文章頁數(shù)】：100 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

密排六方結(jié)構(gòu)的α鈦與體心立方結(jié)構(gòu)的β鈦的晶體結(jié)構(gòu)[34]

電弧增材制造中凝固過程的微觀組織形貌演變建模與數(shù)值研究4表1.1TC4合金的化學(xué)成分[38]元素TiAlVFeSiCONH含量基體5.5-6.83.5-4.5≤0.30≤0.15≤0.15≤0.20≤0.05≤0.015圖1.2TC4鈦合金微觀組織[50]1.3凝固微觀組織的建模焊接的特點(diǎn)是瞬時(shí)性、非平衡性和熱源移動(dòng)性，焊接的基底狀況、工藝參數(shù)和接頭的表面狀態(tài)等因素都會(huì)影響整體的的結(jié)構(gòu)和性能。傳統(tǒng)的試驗(yàn)研究局限于設(shè)備、焊接環(huán)境，無法動(dòng)態(tài)的記錄焊接接頭形成過程中的組織、結(jié)構(gòu)演變歷程，為了探討材料的理化性能在焊接這一非平衡態(tài)熱處理過程中的變化情況，數(shù)值模擬方法自然而然的成為一個(gè)新的研究方向[41,44]。熔池凝固過程的微觀組織模擬主要是基于熔液凝固過程中發(fā)生的形核和生長的物理模型，選擇合適的微觀組織模擬方法，并建立了相應(yīng)的物理模型和數(shù)學(xué)模型。計(jì)算了不同凝固條件下晶粒形貌等微觀結(jié)構(gòu)的演變，并實(shí)現(xiàn)了晶粒成核和生長的可視化。在焊接過程中，熔池中液態(tài)金屬的凝固、熱影響區(qū)的重結(jié)晶、晶粒的生長以及固相轉(zhuǎn)變都會(huì)影響焊接接頭的組織和力學(xué)性能。因此，在仿真中需要一起考慮這些特性。同時(shí)，由于焊接過程具有凝固速度大、溫度分布不均勻、動(dòng)態(tài)結(jié)晶和偏析嚴(yán)重等特點(diǎn)，都增加了模擬焊接接頭結(jié)構(gòu)的難度。許多學(xué)者基于不同的數(shù)值模擬方法進(jìn)行了材料微觀結(jié)構(gòu)模擬，包括：確定性方法[45]、蒙特卡洛方法[46,48]、水平集方法[49,50]、相場(chǎng)方法[51,53]以及元胞自動(dòng)機(jī)方法[54,57]等。1.3.1元胞自動(dòng)機(jī)（CA）CA是一種基于變換規(guī)則反映元胞集合狀態(tài)的算法，當(dāng)規(guī)則迭代應(yīng)用時(shí)，離散空間中被劃分區(qū)域的網(wǎng)格演化會(huì)自動(dòng)發(fā)生。傳統(tǒng)的元胞自動(dòng)機(jī)使用局部規(guī)則，其中元胞的瞬時(shí)狀態(tài)/值是其附近單元格的函數(shù)。最近，隨著元胞自動(dòng)機(jī)方法的發(fā)展也考慮了中程或長程G-R相

碩士學(xué)位論文5學(xué)模型不同，CA不是由物理方程式嚴(yán)格定義的，而是由用一組模型構(gòu)建的規(guī)則定義的[60]。通常，CA模型由元胞、元胞狀態(tài)、元胞空間、元胞鄰域、規(guī)則和時(shí)間功能組成。通過確定性或隨機(jī)變換規(guī)則指定單元與其鄰居之間的局部相互作用（開發(fā)了不同類型的鄰居算法）。在處理復(fù)雜、動(dòng)態(tài)和隨機(jī)問題時(shí)，CA由于其對(duì)鄰居和演變規(guī)則的靈活定義而具有顯著的優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用不限于特定領(lǐng)域。目前，CA已被用于社會(huì)學(xué)、生態(tài)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、物理、化學(xué)等學(xué)科的仿真模型[61,62]。圖1.3時(shí)間步長(a)17、(b)22、(c)30和(d)34中形核元胞，每個(gè)捕獲的細(xì)胞、其中心和相應(yīng)的正方形用相同的顏色描繪在過去的25年中，CA已成功地應(yīng)用于微觀結(jié)構(gòu)模擬，如靜態(tài)再結(jié)晶[63,67]、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶[68,69]和晶粒生長行為[70,72]。第一個(gè)結(jié)合凝固行為的CA模型是在20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的[73,85]。這些CA模型最初是在2D中進(jìn)行開發(fā)，后來擴(kuò)展到3D，再加上有限元(FE)熱流計(jì)算，得到了所謂的元胞自動(dòng)機(jī)-有限元(CAE)模型[74-75]。它們廣泛應(yīng)用于熔鑄[76]、定向凝固[77]和不同合金體系中廣泛的顯微組織演化現(xiàn)象，包括枝晶、顯微偏析、缺陷[78,80]。此外，在凝固的最后階段，通過CA模擬控制鑄件生產(chǎn)過程中不同類型的缺陷形成，以達(dá)到所需的微觀結(jié)構(gòu)。通過改變熱源參數(shù)來研究顯微組織的變化。利用正方形生長算法，將晶體對(duì)稱性和取向信息存儲(chǔ)在晶粒生長區(qū)的每個(gè)單元中（圖1.3）。隨后，晶粒細(xì)胞能夠根據(jù)總過冷

【參考文獻(xiàn)】：
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