發(fā)布時間：2021-07-06 21:20

　　鈦合金具有密度低、強度高、耐蝕性好以及優(yōu)良的耐高溫性能和生物相容性等特點,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)備較為簡單且易于控制的特點,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,由于難以對增材制造過程中晶粒的形核、生長及演變過程進行直接觀察,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,對增材制造中熔池凝固過程以及晶粒形核和生長行為進行了二維及三維數(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是瞬時性、非平衡性和熱源移動性，焊接的基底狀況、工藝參數(shù)和接頭的表面狀態(tài)等因素都會影響整體的的結(jié)構(gòu)和性能。傳統(tǒng)的試驗研究局限于設(shè)備、焊接環(huán)境，無法動態(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，由于焊接過程具有凝固速度大、溫度分布不均勻、動態(tài)結(jié)晶和偏析嚴(yán)重等特點，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]、相場方法[51,53]以及元胞自動機方法[54,57]等。1.3.1元胞自動機（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，離散空間中被劃分區(qū)域的網(wǎng)格演化會自動發(fā)生。傳統(tǒng)的元胞自動機使用局部規(guī)則，其中元胞的瞬時狀態(tài)/值是其附近單元格的函數(shù)。最近，隨著元胞自動機方法的發(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)則和時間功能組成。通過確定性或隨機變換規(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、動態(tài)和隨機問題時，CA由于其對鄰居和演變規(guī)則的靈活定義而具有顯著的優(yōu)勢，其應(yīng)用不限于特定領(lǐng)域。目前，CA已被用于社會學(xué)、生態(tài)學(xué)、計算機科學(xué)、物理、化學(xué)等學(xué)科的仿真模型[61,62]。圖1.3時間步長(a)17、(b)22、(c)30和(d)34中形核元胞，每個捕獲的細胞、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]、動態(tài)再結(jié)晶[68,69]和晶粒生長行為[70,72]。第一個結(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中進行開發(fā)，后來擴展到3D，再加上有限元(FE)熱流計算，得到了所謂的元胞自動機-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，將晶體對稱性和取向信息存儲在晶粒生長區(qū)的每個單元中（圖1.3）。隨后，晶粒細胞能夠根據(jù)總過冷

【參考文獻】：
期刊論文
[1]合金凝固過程中顯微組織演化的元胞自動機模擬[J]. 朱鳴芳,湯倩玉,張慶宇,潘詩琰,孫東科.  金屬學(xué)報. 2016(10)
[2]航空發(fā)動機用先進高溫鈦合金材料技術(shù)研究與發(fā)展[J]. 蔡建明,弭光寶,高帆,黃浩,曹京霞,黃旭,曹春曉.  材料工程. 2016(08)
[3]我國航空用鈦合金技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展[J]. 朱知壽.  航空材料學(xué)報. 2014(04)
[4]SAF2205鋼板焊條電弧焊焊接接頭殘余應(yīng)力有限元分析[J]. 顧建東.  中國特種設(shè)備安全. 2013(07)
[5]鈦合金的研究進展與應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 彭昂,毛振東.  船電技術(shù). 2012(10)
[6]鈦合金的研究進展與應(yīng)用[J]. 劉奇先,劉楊,高凱.  航天制造技術(shù). 2011(04)
[7]T型角接頭焊接熱源模型研究[J]. 肖馮,米彩盈.  電焊機. 2010(06)
[8]國內(nèi)外鈦合金研究的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J]. 趙永慶.  中國材料進展. 2010(05)
[9]Ti-45at.%Al合金定向凝固過程中顯微組織演化的計算機模擬[J]. 王狂飛,郭景杰,米國發(fā),李邦盛,傅恒志.  物理學(xué)報. 2008(05)
[10]鈦合金研究新進展及應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 訾群.  鈦工業(yè)進展. 2008(02)

博士論文
[1]Ni-Cr二元合金焊接熔池枝晶生長模擬[D]. 占小紅.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2008
[2]SUS316和NIMONIC263焊接接頭晶粒長大MONTE CARLO模擬[D]. 徐艷利.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2008

碩士論文
[1]基于元胞自動機法的Fe-C合金焊縫熔池凝固過程微觀組織模擬[D]. 李露露.西安理工大學(xué) 2016
[2]基于元胞自動機法的TC4-DT鈦合金電子束焊接頭晶粒組織模擬[D]. 余明敏.南京航空航天大學(xué) 2015
[3]晶粒生長的蒙特卡洛模擬方法研究[D]. 曹小虎.華東理工大學(xué) 2014
[4]送粉式和送絲式的鈦合金激光增材制造特性研究[D]. 章敏.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2013
[5]鋁合金焊接微觀組織模擬[D]. 杜守鵬.沈陽航空航天大學(xué) 2013
[6]旁路耦合電弧焊熱物理過程研究[D]. 韓日宏.蘭州理工大學(xué) 2012
[7]電子束焊接熔池凝固組織模擬的探索[D]. 姜燕燕.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2011
[8]晶粒組織演化的元胞自動機模擬[D]. 何東.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2007
[9]基于蒙特卡羅方法的晶粒生長模擬系統(tǒng)研究[D]. 張海.中南大學(xué) 2007
[10]基于CA法的熔池凝固過程模擬初探[D]. 趙軍.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2006



本文編號：3268991