本文選題：氣體霧化　切入點(diǎn)：快速凝固　出處：《西南交通大學(xué)》2017年碩士論文

【摘要】：本文采用氣體霧化技術(shù)制備Al-25 at.%Ni合金粉末,研究了不同粒徑下粉末微觀組織;利用牛頓熱傳遞冷卻模型和古典均質(zhì)形核理論計(jì)算了霧化熔滴在飛行過(guò)程中的傳質(zhì)和傳熱;利用相場(chǎng)法模擬了純Ni的傳統(tǒng)凝固和二元Al-25 at.%Ni合金熔滴在快速凝固下枝晶生長(zhǎng)。為了驗(yàn)證模型的穩(wěn)定性和模擬的準(zhǔn)確性,進(jìn)行了多相場(chǎng)的模擬,并將實(shí)驗(yàn)組織和模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,模擬結(jié)果與部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好,主要得出以下結(jié)論:(1)氣霧化制備的Ni-Al合金粉末球形度高。粉末粒徑d45 μm時(shí),粉末表面呈現(xiàn)發(fā)達(dá)的樹(shù)枝晶組織;隨著粉末粒徑的增加,霧化飛行過(guò)程中熔滴的平均冷卻速率減小,粉末表面組織由樹(shù)枝晶向等軸晶和包狀晶轉(zhuǎn)變。d120 μm時(shí),粉末內(nèi)部呈發(fā)達(dá)的樹(shù)枝晶組織;d120μm時(shí)粉末內(nèi)部組織從樹(shù)枝晶向混合的樹(shù)枝晶和包狀晶過(guò)渡。通過(guò)簡(jiǎn)單的線性擬和處理,枝晶間距與粉末粒徑基本呈關(guān)系:λ = 0.40863 + 0.0102×d;熔滴平均冷卻速率約為105-106Ks~(-1)。粉末凝固后得到Al3Ni2、Al3Ni和A1共晶相,與非平衡凝固下相圖得到的物相結(jié)果完全一致,這種相的一致性在其他報(bào)道中也得到良好的重現(xiàn)。(2)熔滴在霧化飛行過(guò)程中的熱史行為受到多個(gè)參數(shù)的影響,如粒徑、初始?xì)饬魉俾�、過(guò)冷度、過(guò)熱度、霧化介質(zhì)以及潤(rùn)濕角等。假設(shè)熔滴的潤(rùn)濕角與粒徑無(wú)關(guān),熔滴的過(guò)冷度主要受到潤(rùn)濕角的影響,而熔滴的粒徑和冷卻速率對(duì)過(guò)冷度的影響可以忽略不計(jì)。隨著熔滴尺寸和初始?xì)饬魉俣鹊脑黾?熔滴必須經(jīng)歷更長(zhǎng)的飛行距離才能完全凝固。熔滴在再輝階段,偏析凝固和包晶反應(yīng)各階段的凝固分?jǐn)?shù)受到熔滴尺寸,初始?xì)饬魉俣?過(guò)熱度的影響較小,主要受到過(guò)冷度的影響。各階段的凝固分?jǐn)?shù)依次為:fR=1.51×10~(-3)△AT +0.019,fs =-1.63×10~(-3)AT +0.978,fp=-5.03×10~(-5)AT+0.032。(3)利用推導(dǎo)的純物質(zhì)相場(chǎng)模型模擬了純Ni在過(guò)冷熔體中等軸晶的生長(zhǎng)行為,研究了不同的參數(shù)對(duì)枝晶生長(zhǎng)形貌的影響。結(jié)果表明,枝晶在過(guò)冷熔體中自由生長(zhǎng),生長(zhǎng)過(guò)程中放出凝固潛熱,并沿著負(fù)溫度梯度方向擴(kuò)散。枝晶生長(zhǎng)受到各向異性的影響:當(dāng)各向異性γ=0時(shí),得到向日葵狀的枝晶組織,隨著各向異性系數(shù)增加,向日葵狀的枝晶向海藻狀、等軸晶轉(zhuǎn)變。因此,為了得到完整的枝晶組織,必須考慮到晶體的各向異性;同時(shí)生長(zhǎng)行為也受到取向角的影響。(4)首先利用二元合金相場(chǎng)模型對(duì)Ni-Al合金在等溫凝固下枝晶生長(zhǎng)行為進(jìn)行了預(yù)測(cè),再現(xiàn)了形核在生長(zhǎng)過(guò)程中從晶核到發(fā)達(dá)的樹(shù)枝晶的演變規(guī)律。枝晶在生長(zhǎng)過(guò)程中存在溶質(zhì)偏析,枝晶根部界面的遷移速率明顯低于枝晶尖,因此,在枝晶根部溶質(zhì)偏析最為嚴(yán)重。等溫凝固沒(méi)有考慮枝晶在生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的相變潛熱,潛熱擴(kuò)散會(huì)改變過(guò)冷熔體中的傳熱和傳質(zhì),因此,為進(jìn)一步貼近實(shí)際物理過(guò)程,更好的理解枝晶在生長(zhǎng)過(guò)程中組織演變,在模擬中引入了溫度場(chǎng)。結(jié)果表明:枝晶在生長(zhǎng)過(guò)程中釋放的潛熱使固相周圍溫度升高,即降低了過(guò)冷度,阻礙了界面的遷移,相比等溫凝固,降低了枝晶尖端速率和固相分?jǐn)?shù)。由于固相周圍溫度的升高,溫度越高促進(jìn)溶質(zhì)的擴(kuò)散,所以非等溫凝固下溶質(zhì)擴(kuò)散層相對(duì)較薄。(5)霧化熔滴在飛行過(guò)程中與周圍霧化介質(zhì)進(jìn)行迅速熱交換,為了探究熔滴在快速凝固過(guò)程中枝晶的生長(zhǎng),在溫度場(chǎng)控制方程引入恒定的邊界熱通量和對(duì)流換熱(傳熱隨生長(zhǎng)時(shí)間發(fā)生變化)。邊界熱通量和對(duì)流換熱的引入明顯改變了過(guò)冷熔體的傳質(zhì)和傳熱。邊界熱通量作用下由于熔滴與霧化介質(zhì)的傳熱為恒定值,促進(jìn)枝晶干和二次枝晶的生長(zhǎng),固相率與生長(zhǎng)時(shí)間呈線性增加,但由于快速凝固過(guò)程釋放結(jié)晶潛熱,溫度曲線先下降后上升,表現(xiàn)為明顯的再輝過(guò)程。對(duì)流換熱邊界條件的引入即快速凝固下,由于邊界熱交換系數(shù)隨著時(shí)間不斷降低,枝晶生長(zhǎng)時(shí)釋放的潛熱不能及時(shí)的擴(kuò)散出去,固相周圍溫度明顯上升,從而阻礙了界面的遷移和枝晶生長(zhǎng)。印證了合金在快速凝固下組織均勻、細(xì)小的原因。傳統(tǒng)凝固等溫多晶模型下模擬的枝晶發(fā)達(dá),生長(zhǎng)后期相互影響;快速凝固下枝晶生長(zhǎng)受到抑制,主要原因是溫度快速升高削弱了生長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)力。
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【學(xué)位授予單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TF123.71

【參考文獻(xiàn)】

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1 Haowei Pan;Zhiqiang Han;Baicheng Liu;;Study on Dendritic Growth in Pressurized Solidification of Mg Al Alloy Using Phase Field Simulation[J];Journal of Materials Science & Technology;2016年01期

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本文編號(hào)：1667753