多元非稀释合金雾化液滴凝固模型及凝固组织研究

发布时间：2019-12-02 06:08

【摘要】：气雾化法是制备金属粉体的重要方法,和常规凝固相比,气雾化快速凝固工艺能显著减少偏析、细化组织以及增大合金成分的固溶度,因此具有广泛的应用。目前国内外对气雾化工艺的研究主要集中在雾化设备和雾化工艺的提高,对雾化液滴快速凝固组织及其形成机理的研究比较缺乏,需要进行深入的探讨和研究。计算机模拟是研究凝固组织的一种有效手段,在金属凝固的微观组织模拟中,通过枝晶生长模型确定枝晶尖端的动力学可模拟枝晶形貌,而现有的快速凝固枝晶生长动力学模型主要用于二元稀释合金,因此本文通过对快速凝固枝晶生长模型的扩展和修正,使其可以适用于多元非稀释合金,并运用数值模拟和实验相结合的方法,研究多元非稀释合金ASP30高速钢雾化液滴的凝固组织及其转变机理。首先,通过对多元非稀释合金ASP30高速钢雾化液滴凝固特性进行理论计算,得出不同液滴直径对换热系数、冷却速度以及过冷度的变化规律,得出随着液滴直径的减小,换热系数、冷却速度以及过冷度均呈增大的趋势。研究结果表明当液滴直径减小至60μm左右,各项凝固特性均有一定程度的突变发生。通过DTA实验对相转变和过冷度变化规律进行分析,得出粉体直径对相变点温度的影响规律为:粉体直径越小,熔化曲线和凝固曲线中相变点的温度越低。冷却速度对相变点温度的影响规律为:冷速越大,凝固曲线中相变点的温度越低。过冷度的变化规律为:随着粉体直径的减小,过冷度增大;随着冷却速度的提高,过冷度也增大。其次,本文对经典BCT枝晶生长模型进行扩展和修正,将原模型中简化的Aziz溶质截留模型扩展为适用于多元非稀释合金的CGM模型,并对线性固液相线假设进行修正,即将原模型中的溶质分配系数k修正为随温度变化的函数,使扩展模型可适用于多元非稀释合金快速凝固过程;对物性参数进行修正,从常数修正为随温度变化的函数,使模型更接近实际凝固过程。比较扩展的EBCT模型和原BCT模型,得出模型的扩展对拥有大过冷度的小液滴的影响更加显著。自定义了两个函数f,和F,对扩展得出的EBCT模型进行数值求解,通过Fortran语言编程辅助运算,最终得出快速凝固枝晶生长动力学曲线,并结合元胞自动机方法模拟预测不同直径的多元非稀释合金ASP30高速钢雾化液滴的凝固组织,并通过扫描电镜对液滴凝固组织进行实验研究,模拟和实验结果均表明,小液滴更易形成柱状晶组织,而大液滴更易形成等轴晶组织,扩展的EBCT模型的模拟结果和实验结果吻合较好。再次,对影响雾化液滴快速凝固组织的主导因素进行研究,采用影响因素分离的方法分别研究过冷度、冷却速度以及液滴直径对快速凝固组织的影响,最终得出过冷度是影响凝固组织转变的主导因素。研究了不同工艺参数过热度、气体轴向速度对雾化液滴凝固组织的影响,得出过热度和气体轴向速度对液滴凝固组织的影响较小。最后,对快速凝固过程的12个重要影响因素进行无量纲化因次分析,得出由7个无量纲数组成的无量纲相似准数群。通过对相似准数的分析,研究了快速凝固组织转变的机理,得出了无量纲数的临界值。对无量纲数群中的四个重要的物性参数界面能、熔化潜热、比热以及热导率进行分析,并结合扩展的EBCT枝晶生长模型,研究物性参数对雾化液滴枝晶生长动力学的影响,得出界面能越小、熔化潜热越小、比热越大、热导率越大的材料,相同的过冷度时枝晶生长速度越快。
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TF123.112

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