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题名	固溶体型合金树枝晶组织形成过程研究
作者	张显飞
学位类别	博士
答辩日期	2012
授予单位	中国科学院金属研究所
授予地点	北京
导师	赵九洲
关键词	固溶体型合金 凝固 树枝晶 来流 元胞自动机 Solid solution alloy Solidification Dendritic growth Forced flow Cellular automaton
学位专业	材料加工工程
中文摘要	"树枝晶是一种最常见的固溶体型合金凝固组织。树枝晶的形态及微观尺度对合金材料的力学性能具有决定性影响，其形成过程一直是材料凝固研究领域的重要内容之一。由于树枝晶形态复杂，不可能用解析模型描述其整个形成过程。数值模拟可以耦合求解浓度场、温度场和枝晶生长动力学，模拟整个枝晶形态及生长过程。与其它数值模拟方法相比，元胞自动机模型具有较高的计算效率，已广泛应用于模拟树枝晶形成过程。考虑到目前关于多元合金三维树枝晶生长的元胞自动机模型还很少且不完善，本文建立了合金树枝晶生长的元胞自动机模型，模拟研究了二元和三元合金凝固组织形成过程。具体研究内容如下： 建立了二元合金树枝晶生长的二维元胞自动机模型，根据界面处溶质守恒关系计算固液界面生长速度。对丁二腈-乙醇过冷熔体中树枝晶生长的计算结果与LGK模型预测结果吻合很好。研究了丁二腈-2.5 wt.%乙醇定向凝固一次枝晶间距选择过程，对定向凝固一次枝晶间距上下限的形成机制进行了细致分析。结果表明，定向凝固一次枝晶间距上下限由固液界面稳定性决定，凡是影响固液界面稳定性的因素都会影响一次枝晶间距上下限。 建立了多元合金树枝晶生长的三维元胞自动机模型，根据界面处溶质守恒关系计算固液界面生长速度，考虑了合金元素之间相互作用对溶质扩散的影响，研发了直接耦合合金热力学计算、溶质扩散系数计算和枝晶生长动力学过程计算的模拟方法。将元胞自动机模拟结果与已有分析模型预测结果和文献中的实验结果进行对比分析，证明了该模型可定量描述三元合金三维树枝晶生长过程。采用不同的溶质扩散系数处理方式，计算了Al-Cu-Mg合金枝晶生长过程，结果表明溶质扩散系数对模拟结果有显著影响，因此，在三元或多元合金凝固过程模拟中，必须考虑合金元素之间相互作用对溶质扩散的影响。 开展了Al-11.6 wt.%Cu-0.85 wt.%Mg合金定向凝固实验，结果表明，Al-11.6 wt.%Cu-0.85 wt.%Mg合金定向凝固一次枝晶间距和二次枝晶间距与凝固速度间均满足指数函数关系。用所建的三维元胞自动机模型预测该合金定向凝固枝晶组织的形成过程，计算的定向凝固一次枝晶间距和二次枝晶间距与实验结果吻合得很好；进而模拟研究了Mg含量对定向凝固一次枝晶间距的影响。结果表明，定向凝固一次枝晶间距随着Mg含量的增加而增大，定向凝固二次枝晶间距随着Mg含量的增加而减小。 对Al-Cu-Mg合金等轴晶组织形成过程进行了研究，考察了冷却速率、形核特性对凝固组织的影响。结果表明：随着冷却速率的增大，形核率增大；在给定冷却速率条件下，随着形核接触角的增大，异质形核形核率减小；随着形核质点密度的增大，异质形核形核率增大。 用三维元胞自动机模型模拟研究了来流对Al-Cu合金过冷熔体中等轴晶和定向凝固树枝晶生长的影响。结果显示，迎流侧枝晶生长速度大于背流侧枝晶生长速度；迎流侧二次枝晶发达，背流侧二次枝晶生长受到抑制；与来流方向垂直的枝晶向来流方向偏转；随着来流速度增大，枝晶偏转角度增大，尖端不对称性增强。考察了来流速度大小对迎流枝晶尖端选择参数的影响。结果表明，与热扩散控制的纯物质树枝晶生长不同，即使来流速度很小，其对由溶质扩散控制的合金三维枝晶尖端选择参数也有明显影响。不同过冷度和不同界面能各向异性条件下模拟结果表明，来流对枝晶尖端选择参数的影响与熔体过冷度和界面能各向异性有关，在给定过冷度条件下，流动对枝晶尖端选择参数的影响随着界面能各向异性的增大而增强；对于给定的合金，流动对枝晶尖端选择参数的影响随着过冷度的增大而增强。合金三维枝晶尖端Péclet数随着来流速度的增大而增大，其趋势与二维Oseen-Ivantsov解预测结果相似。"
公开日期	2013-04-12
内容类型	学位论文
源URL	[http://210.72.142.130/handle/321006/64410]
专题	金属研究所_中国科学院金属研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	张显飞. 固溶体型合金树枝晶组织形成过程研究[D]. 北京. 中国科学院金属研究所. 2012.

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