电磁场诱导熔体流动影响二元合金凝固组织的规律和机制研究
发布时间：2020-12-17 19:00
金属及合金凝固过程是金属材料成型过程中的重要步骤,控制凝固过程和凝固组织对材料的后续加工过程以及最终的服役过程至关重要。凝固过程中形成的非金属夹杂物、疏松、缩孔、宏观偏析以及组织粗大等缺陷,一旦凝固完成就很难消除,甚至即使采用大变形量的塑性变形过程仍然无法消除,严重时将形成巨大的缺陷或安全隐患,或者导致部件的服役性能大幅度降低,因此如何有效控制凝固过程中的热量、质量和动量传输过程,进而控制凝固组织、溶质分布,消除凝固缺陷,一直是凝固领域的关键研究目标。在凝固过程中,由于热量传输过程受多种因素的扰动,导致熔体温度的不均匀,必将导致浮力流;枝晶或凝固界面推进中,溶质的排出或偏析也将引起熔体密度的变化,同样形成浮力流;而温度梯度引起的表面张力梯度也将引起Marangoni对流;施加超声波、电磁场、机械搅拌等还将引起熔体的受迫流动等等,这些流动将进一步影响熔体的温度梯度、溶质分布、界面生长过程,最终必将影响到铸件的凝固质量。因此,如何控制凝固过程中的流动或者引入特定的受迫流动,来调控凝固过程,近年来受到凝固工作者的广泛关注。在凝固过程中引入电磁场,能对该过程中传热、传质和动量传输的方式和速度产...
【文章来源】：上海大学上海市 211工程院校
【文章页数】：175 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 稳恒磁场对定向凝固组织影响
1.2.1 电磁制动对凝固组织影响
1.2.2 热电磁效应对凝固组织影响
1.3 电流对定向凝固组织影响
1.3.1 电流对凝固组织的影响机制
1.3.2 电场作用于定向凝固过程
1.4 电磁复合场对定向凝固组织的影响
1.4.1 直流电流与稳恒磁场复合
1.4.2 交变/脉冲电流与稳恒磁场复合
1.5 本工作的目的、意义及研究内容
第二章 实验设备与方法
2.1 研究对象及实验设备
2.1.1 研究对象
2.1.2 实验设备
2.2 实验过程
2.2.1 合金熔配与试样制备
2.2.2 横向稳恒磁场下Cz法与Bridgman法定向凝固实验
2.2.3 温度梯度测定方法
2.2.4 组织表征及性能检测方法
第三章 电磁场诱导受迫流动对二元合金定向凝固过程影响的数值模拟
3.1 二元合金定向凝固过程数值模型的建立
3.1.1 基本假设条件
3.1.2 控制方程
3.1.3 物性参数的选择
3.1.4 模型边界条件和初始值
3.1.5 计算域网格划分以及时间步长选择
3.1.6 本文所使用的计算方法
3.1.7 二元合金定向凝固过程模拟模型的建立
3.2 内生热电流的测定与计算
3.2.1 实验装置
3.2.2 内生热电流计算
3.3 稳恒磁场下定向凝固过程中热电磁力/对流的模拟
3.3.1 热电磁力及热电磁对流的公式推导
3.3.2 热电磁对流及其对溶质分布影响的模拟
3.4 小结
第四章 热电磁对流对二元合金Bridgman法和CZ法定向凝固组织的影响
4.1 热电磁对流对Bridgman法定向凝固组织的影响
4.1.1 金相组织
4.1.2 枝晶间距
4.1.3 成分分布
4.1.4 温度梯度
4.1.5 机制解释
4.1.6 数值模拟验证
4.2 热电磁对流作用时间对Bridgman定向凝固组织的影响
4.2.1 磁场作用不同时间
4.2.2 不同抽拉速度
4.2.3 数值模拟验证
4.3 热电磁对流对Cz法定向凝固的影响
4.3.1 试样外形
4.3.2 微观组织
4.3.3 结果与讨论
4.3.4 结论
4.4 小结
第五章 电磁场诱导单向对流对二元合金定向凝固组织的影响
5.1 直流电流引入带来变量的可忽略性
5.1.1 感生磁场
5.1.2 焦耳热
5.1.3 直流电流对凝固组织影响
5.2 外加电流与内生热电流的等效性
5.2.1 金相组织
5.2.2 成分分布
5.2.3 机制解释
5.2.4 数值模拟验证
5.3 不同受迫流动量级对定向凝固组织影响
5.3.1 金相组织
5.3.2 枝晶间距
5.3.3 成分分布
5.3.4 数值模拟验证
5.4 小结
第六章 电磁场诱导周期反向流动对二元合金定向和半连铸凝固组织的影响
6.1 脉冲电流引入带来变量的可忽略性
6.1.1 感生磁场与电场的可忽略性
6.1.2 焦耳热
6.1.3 集肤层厚度
6.1.4 脉冲电流对凝固组织影响
6.2 电磁振荡作用下受迫流动的解析解和数值模拟
6.2.1 解析解
6.2.2 数值模拟验证
6.3 定向凝固实验
6.3.1 实验结果
6.3.2 模拟结果
6.3.3 分析与讨论
6.4 半连铸实验
6.4.1 实验方法
6.4.2 实验结果
6.4.3 模拟结果
6.4.4 分析与讨论
6.5 小结
第七章 结论与展望
7.1 结论
7.2 展望
本论文创新点
参考文献
作者在攻读博士学位期间公开发表的论文
作者在攻读博士学位期间申请的专利
作者在攻读博士学位期间骨干参与的科研项目
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]Direct Observation of Thermoelectric Magnetic Convection in Unidirectionally Solidified Al-Cu Alloys[J]. Hideyuki Yasuda,Keisuke Inoue,Yudai Minami,Tomoya Nagira,Masato Yoshiya,Kentaro Uesugi,Keiji Umetani. Journal of Iron and Steel Research(International). 2012(S1)
[2]Numerical Simulation of Directional Solidification of a Nickel-Based Superalloy With Applied Direct Current[J]. FENG Xiao-hui,YANG Yuan-sheng. Journal of Iron and Steel Research(International). 2012(S1)
[3]电场调控下合金凝固过程枝晶形貌演变同步辐射原位成像[J]. 王同敏,朱晶,陈宗宁,许菁菁,谢红兰,肖体乔,李廷举. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2011(01)
[4]直流电场对A1-10%Si亚共晶合金凝固组织的影响[J]. 黄立国,高志玉,张志明. 铸造技术. 2009(05)
[5]高密度脉冲电流对纯铝凝固晶粒组织及其过冷度的影响[J]. 刘华泽,赵志龙,马连辉,王保建. 铸造技术. 2008(10)
[6]脉冲电流对Al-4.5Cu合金定向凝固组织的影响[J]. 陈文杰,廖希亮,甘长红,方燕,翟启杰. 特种铸造及有色合金. 2006(08)
[7]液态下施加直流电对工业纯铝凝固组织的影响[J]. 崔衡,苍大强,李玲珍,宗燕兵,陈琳,章俊. 铸造技术. 2006(07)
[8]电场作用下AZ31镁合金的组织与织构的演变[J]. 曲家惠,吴静婷,李四军,王福,左良. 轻合金加工技术. 2006(02)
[9]直流电场对Al-4.5%Cu合金定向凝固组织的影响[J]. 徐前刚,武保林,万刚,赵玉华,王洪顺. 航空材料学报. 2006(01)
[10]电磁振荡法半连铸7075合金的微观组织及溶质元素分布[J]. 张勤,崔建忠,路贵民,班春燕. 中国有色金属学报. 2003(05)
本文编号：2922530
【文章来源】：上海大学上海市 211工程院校
【文章页数】：175 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 稳恒磁场对定向凝固组织影响
1.2.1 电磁制动对凝固组织影响
1.2.2 热电磁效应对凝固组织影响
1.3 电流对定向凝固组织影响
1.3.1 电流对凝固组织的影响机制
1.3.2 电场作用于定向凝固过程
1.4 电磁复合场对定向凝固组织的影响
1.4.1 直流电流与稳恒磁场复合
1.4.2 交变/脉冲电流与稳恒磁场复合
1.5 本工作的目的、意义及研究内容
第二章 实验设备与方法
2.1 研究对象及实验设备
2.1.1 研究对象
2.1.2 实验设备
2.2 实验过程
2.2.1 合金熔配与试样制备
2.2.2 横向稳恒磁场下Cz法与Bridgman法定向凝固实验
2.2.3 温度梯度测定方法
2.2.4 组织表征及性能检测方法
第三章 电磁场诱导受迫流动对二元合金定向凝固过程影响的数值模拟
3.1 二元合金定向凝固过程数值模型的建立
3.1.1 基本假设条件
3.1.2 控制方程
3.1.3 物性参数的选择
3.1.4 模型边界条件和初始值
3.1.5 计算域网格划分以及时间步长选择
3.1.6 本文所使用的计算方法
3.1.7 二元合金定向凝固过程模拟模型的建立
3.2 内生热电流的测定与计算
3.2.1 实验装置
3.2.2 内生热电流计算
3.3 稳恒磁场下定向凝固过程中热电磁力/对流的模拟
3.3.1 热电磁力及热电磁对流的公式推导
3.3.2 热电磁对流及其对溶质分布影响的模拟
3.4 小结
第四章 热电磁对流对二元合金Bridgman法和CZ法定向凝固组织的影响
4.1 热电磁对流对Bridgman法定向凝固组织的影响
4.1.1 金相组织
4.1.2 枝晶间距
4.1.3 成分分布
4.1.4 温度梯度
4.1.5 机制解释
4.1.6 数值模拟验证
4.2 热电磁对流作用时间对Bridgman定向凝固组织的影响
4.2.1 磁场作用不同时间
4.2.2 不同抽拉速度
4.2.3 数值模拟验证
4.3 热电磁对流对Cz法定向凝固的影响
4.3.1 试样外形
4.3.2 微观组织
4.3.3 结果与讨论
4.3.4 结论
4.4 小结
第五章 电磁场诱导单向对流对二元合金定向凝固组织的影响
5.1 直流电流引入带来变量的可忽略性
5.1.1 感生磁场
5.1.2 焦耳热
5.1.3 直流电流对凝固组织影响
5.2 外加电流与内生热电流的等效性
5.2.1 金相组织
5.2.2 成分分布
5.2.3 机制解释
5.2.4 数值模拟验证
5.3 不同受迫流动量级对定向凝固组织影响
5.3.1 金相组织
5.3.2 枝晶间距
5.3.3 成分分布
5.3.4 数值模拟验证
5.4 小结
第六章 电磁场诱导周期反向流动对二元合金定向和半连铸凝固组织的影响
6.1 脉冲电流引入带来变量的可忽略性
6.1.1 感生磁场与电场的可忽略性
6.1.2 焦耳热
6.1.3 集肤层厚度
6.1.4 脉冲电流对凝固组织影响
6.2 电磁振荡作用下受迫流动的解析解和数值模拟
6.2.1 解析解
6.2.2 数值模拟验证
6.3 定向凝固实验
6.3.1 实验结果
6.3.2 模拟结果
6.3.3 分析与讨论
6.4 半连铸实验
6.4.1 实验方法
6.4.2 实验结果
6.4.3 模拟结果
6.4.4 分析与讨论
6.5 小结
第七章 结论与展望
7.1 结论
7.2 展望
本论文创新点
参考文献
作者在攻读博士学位期间公开发表的论文
作者在攻读博士学位期间申请的专利
作者在攻读博士学位期间骨干参与的科研项目
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]Direct Observation of Thermoelectric Magnetic Convection in Unidirectionally Solidified Al-Cu Alloys[J]. Hideyuki Yasuda,Keisuke Inoue,Yudai Minami,Tomoya Nagira,Masato Yoshiya,Kentaro Uesugi,Keiji Umetani. Journal of Iron and Steel Research(International). 2012(S1)
[2]Numerical Simulation of Directional Solidification of a Nickel-Based Superalloy With Applied Direct Current[J]. FENG Xiao-hui,YANG Yuan-sheng. Journal of Iron and Steel Research(International). 2012(S1)
[3]电场调控下合金凝固过程枝晶形貌演变同步辐射原位成像[J]. 王同敏,朱晶,陈宗宁,许菁菁,谢红兰,肖体乔,李廷举. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2011(01)
[4]直流电场对A1-10%Si亚共晶合金凝固组织的影响[J]. 黄立国,高志玉,张志明. 铸造技术. 2009(05)
[5]高密度脉冲电流对纯铝凝固晶粒组织及其过冷度的影响[J]. 刘华泽,赵志龙,马连辉,王保建. 铸造技术. 2008(10)
[6]脉冲电流对Al-4.5Cu合金定向凝固组织的影响[J]. 陈文杰,廖希亮,甘长红,方燕,翟启杰. 特种铸造及有色合金. 2006(08)
[7]液态下施加直流电对工业纯铝凝固组织的影响[J]. 崔衡,苍大强,李玲珍,宗燕兵,陈琳,章俊. 铸造技术. 2006(07)
[8]电场作用下AZ31镁合金的组织与织构的演变[J]. 曲家惠,吴静婷,李四军,王福,左良. 轻合金加工技术. 2006(02)
[9]直流电场对Al-4.5%Cu合金定向凝固组织的影响[J]. 徐前刚,武保林,万刚,赵玉华,王洪顺. 航空材料学报. 2006(01)
[10]电磁振荡法半连铸7075合金的微观组织及溶质元素分布[J]. 张勤,崔建忠,路贵民,班春燕. 中国有色金属学报. 2003(05)
本文编号：2922530
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