定向凝固晶粒竞争生长行为研究

发布时间：2019-03-29 13:56

【摘要】：定向凝固单晶高温合金是先进高推比航空发动机涡轮叶片等热端部件的关键材料。定向凝固单晶的制取,涉及到选晶和单晶生长两个主要过程,前者是在众多取向杂乱的晶粒中选取出与目标取向一致的晶粒,后者则是在已选取晶粒的生长过程中,防止杂晶的产生或发展。这两个过程都涉及到杂晶与目标晶粒之间的竞争。现有理论对晶粒竞争生长的描述通常基于过冷度影响枝晶尖端位置进而影响晶粒淘汰难易程度来进行分析,仅是定性地指出,平行于热流方向生长的择优取向枝晶在与偏离热流方向生长的非择优取向枝晶竞争过程中具有优势,而并没有考虑到枝晶取向发生改变后,枝晶形貌、尖端形态及枝晶间距等重要特征参数的复杂变化对竞争过程的影响。基于此,本文采用丁二腈-丙酮类金属透明模型合金,考察了定向凝固过程中不同取向枝晶的生长行为和形貌特征,对比研究了纯扩散及强制对流条件下,择优取向枝晶与非择优取向枝晶共存时二者的竞争生长行为及相关形貌特征参数,以期为完善定向凝固枝晶竞争生长理论奠定重要的实验和理论基础。主要研究内容及相关结论如下:1.不同取向枝晶的定向凝固生长行为从内在原因和外部影响两方面分析了定向凝固过程中决定枝晶取向的关键因素,以及枝晶生长方向变化对枝晶主轴形态、一次枝晶间距、侧枝形态及二次间距等特征参数的影响。研究发现,定向凝固过程中,枝晶主轴生长方向偏离热流方向时,其尖端形态仍然保持对称,并可以用抛物线进行拟合,其对称轴平行于由晶粒内在因素决定的晶体学优先取向,而不是枝晶的实际生长方向。同时发现,相对于平行于热流方向生长的择优取向枝晶,偏离热流方向生长的非择优取向枝晶具有更大的一次间距。2.纯扩散条件下晶粒竞争生长行为探究了表征不同取向枝晶相互竞争淘汰方向及快慢的参数。基于汇聚竞争生长和发散竞争生长,研究了择优取向枝晶与非择优取向枝晶并存时,两者在定向凝固过程中的淘汰关系。发现了汇聚竞争生长过程中,存在非择优取向枝晶淘汰择优取向枝晶的反常行为,并在实验上首次确立了这种行为发生的诱因,即溶质相互作用使得晶界处择优取向枝晶尖端振荡降低并最终被淘汰。发散双晶的竞争生长过程中,晶粒的淘汰方式并非只有择优取向枝晶淘汰非择优取向枝晶一种,实际上,当择优取向枝晶的主轴生长方向与热流方向存在偏离时,择优取向枝晶的生长位置也可能被占据,进而被非择优取向枝晶淘汰。总体来说,枝晶淘汰的过程与择优取向枝晶同热流方向的偏离程度及枝晶主轴新增频率有直接的关系。3.对流对晶粒竞争生长行为的影响在定向凝固的固液界面前沿人为引入对流,研究了强制对流存在条件下,单个枝晶形态、取向的变化,及枝晶生长产生的新现象,并进一步考察了强制对流对不同取向枝晶的竞争行为的影响。研究发现,对流增强了界面的起伏和波动,会引起枝晶尖端发生分叉,显著减小择优取向枝晶一次间距,并对枝晶尖端位置分布产生较大的影响,同时,对流的存在将使非择优取向枝晶淘汰择优取向枝晶的反常淘汰行为更容易发生。特别是在较低的生长速度下,对流会使固液界面产生弯曲,导致汇聚型晶粒竞争生长过程中非择优取向枝晶被淘汰的现象发生,并增加了不同取向枝晶竞争淘汰的不确定性。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG111.4

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 朱鸣芳,陈晋,孙国雄,洪俊杓;枝晶生长的数值模拟[J];金属学报;2005年06期

2 丁恒敏,刘瑞祥,陈立亮,刘晶峰;用Cellular Automaton模型方法模拟二元合金枝晶生长[J];中国铸造装备与技术;2005年02期

3 李向明;陈明文;王自东;;在强加来流作用下二元系中枝晶生长的稳态解[J];北京科技大学学报;2008年06期

4 单博炜;黄卫东;林鑫;魏雷;;元胞自动机模型模拟枝晶一次间距的选择[J];金属学报;2008年09期

5 王怀志;张殿喜;王智平;冯力;;对流对枝晶生长影响的数值模拟研究进展[J];材料导报;2009年S1期

6 何树先;王俊;;同步辐射成像在枝晶生长研究中的应用[J];铸造技术;2013年07期

7 安阁英;刘立新;;胞晶—枝晶转变理论的实验验证[J];金属科学与工艺;1986年02期

8 黄aF,毛协民,周尧和,鲁德洋,毛志英;扩散控制的强制性枝晶凝固[J];西北工业大学学报;1988年02期

9 黄aF;鲁德洋;周尧和;;强制性枝晶的侧向分枝[J];西北工业大学学报;1988年01期

10 黄琼,赵珊茸;枝晶研究的发展现状[J];人工晶体学报;2002年05期

相关会议论文 前6条

1 冯科;韩志伟;罗利华;毛敬华;王勇;丁永立;;连铸三维宏观传输模型-枝晶凝固微观特性的耦合研究[A];连铸二次冷却技术交流会论文汇编[C];2005年

2 孙东科;朱鸣芳;;CA-LB模型模拟对流枝晶生长[A];2007年全国博士生学术论坛（材料科学与工程学科）论文集[C];2007年

3 王金龙;王福明;张炯明;任嵬;龚雅林;;CAFE模型机理研究及应用[A];第五届中国CAE工程分析技术年会论文集[C];2009年

4 朱晶;王同敏;曹飞;谢红兰;陈宗宁;伏洪旺;李廷举;;金属合金枝晶形貌演变原位可视化[A];第十二届全国铸造年会暨2011中国铸造活动周论文集[C];2011年

5 徐锦锋;扬帆;翟秋亚;;工业球墨铸铁中晕圈枝晶的形成条件[A];第十二届全国铸造年会暨2011中国铸造活动周论文集[C];2011年

6 王桂峰;沈理达;田宗军;刘志东;黄因慧;;射流电沉积促使下枝晶的可控生长[A];第14届全国特种加工学术会议论文集[C];2011年

相关博士学位论文 前10条

1 郑文健;Al-Cu合金焊接熔池凝固枝晶动态生长机制的相场研究[D];哈尔滨工业大学;2014年

2 宇红雷;定向凝固晶粒竞争生长行为研究[D];西北工业大学;2015年

3 刘晶峰;过冷熔体枝晶生长的计算机模拟仿真[D];华中科技大学;2006年

4 王君;纯物质凝固过程枝晶生长现象的研究和模拟[D];昆明理工大学;2002年

5 于艳梅;过冷熔体中枝晶生长的相场法数值模拟[D];西北工业大学;2002年

6 田卫星;纯金属凝固过程枝晶生长的相场法研究[D];山东大学;2007年

7 袁训锋;强制对流影响凝固微观组织的相场法研究[D];兰州理工大学;2011年

8 陈晋;基于胞元自动机方法的凝固过程微观组织数值模拟[D];东南大学;2005年

9 朱晶;电场调控下合金凝固微观行为同步辐射研究[D];大连理工大学;2013年

10 龙文元;铝合金凝固过程枝晶生长的相场法数值模拟[D];华中科技大学;2004年

相关硕士学位论文 前10条

1 吕星;铝合金凝固组织CA-PF耦合模拟研究[D];南昌大学;2015年

2 晋家春;梯度磁场下Ni_(70)Cu_(30)过冷熔体中的枝晶生长与晶粒细化[D];东北大学;2013年

3 邓晓婷;梯度磁场下Ni_(50)Cu_(50)和Ni_(99)B_1过冷熔体中的枝晶生长动力学[D];东北大学;2013年

4 李硕;半固态球状枝晶形成过程的相场法数值模拟[D];南昌航空大学;2015年

5 杨雪梅;全域铸锭宏微观耦合的数值模拟研究[D];河北工业大学;2015年

6 崔晓亚;三维分形银枝晶的可控制备及银浆应用研究[D];清华大学;2015年

7 刘波祖;合金凝固过程枝晶生长的界面前沿跟踪法模拟[D];山东建筑大学;2016年

8 刘丁铭;内生枝晶相Ti基非晶复合材料的设计与制备研究[D];东北大学;2014年

9 闫康;二次锂电池的锂金属负极电化学行为优化[D];北京理工大学;2016年

10 陈静波;基于相场法激光沉积石墨-铜梯度复合材料微观结构研究[D];华东交通大学;2016年

，

本文编号：2449612