气雾化Ni-Al合金粉末快速凝固特征及相场模拟

发布时间：2018-03-26 11:43

本文选题：气体雾化　切入点：快速凝固　出处：《西南交通大学》2017年硕士论文

【摘要】：本文采用气体雾化技术制备Al-25 at.%Ni合金粉末,研究了不同粒径下粉末微观组织;利用牛顿热传递冷却模型和古典均质形核理论计算了雾化熔滴在飞行过程中的传质和传热;利用相场法模拟了纯Ni的传统凝固和二元Al-25 at.%Ni合金熔滴在快速凝固下枝晶生长。为了验证模型的稳定性和模拟的准确性,进行了多相场的模拟,并将实验组织和模拟结果进行对比,模拟结果与部分实验结果吻合良好,主要得出以下结论:(1)气雾化制备的Ni-Al合金粉末球形度高。粉末粒径d45 μm时,粉末表面呈现发达的树枝晶组织;随着粉末粒径的增加,雾化飞行过程中熔滴的平均冷却速率减小,粉末表面组织由树枝晶向等轴晶和包状晶转变。d120 μm时,粉末内部呈发达的树枝晶组织;d120μm时粉末内部组织从树枝晶向混合的树枝晶和包状晶过渡。通过简单的线性拟和处理,枝晶间距与粉末粒径基本呈关系:λ = 0.40863 + 0.0102×d;熔滴平均冷却速率约为105-106Ks~(-1)。粉末凝固后得到Al3Ni2、Al3Ni和A1共晶相,与非平衡凝固下相图得到的物相结果完全一致,这种相的一致性在其他报道中也得到良好的重现。(2)熔滴在雾化飞行过程中的热史行为受到多个参数的影响,如粒径、初始气流速率、过冷度、过热度、雾化介质以及润湿角等。假设熔滴的润湿角与粒径无关,熔滴的过冷度主要受到润湿角的影响,而熔滴的粒径和冷却速率对过冷度的影响可以忽略不计。随着熔滴尺寸和初始气流速度的增加,熔滴必须经历更长的飞行距离才能完全凝固。熔滴在再辉阶段,偏析凝固和包晶反应各阶段的凝固分数受到熔滴尺寸,初始气流速度,过热度的影响较小,主要受到过冷度的影响。各阶段的凝固分数依次为: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)利用推导的纯物质相场模型模拟了纯Ni在过冷熔体中等轴晶的生长行为,研究了不同的参数对枝晶生长形貌的影响。结果表明,枝晶在过冷熔体中自由生长,生长过程中放出凝固潜热,并沿着负温度梯度方向扩散。枝晶生长受到各向异性的影响:当各向异性γ=0时,得到向日葵状的枝晶组织,随着各向异性系数增加,向日葵状的枝晶向海藻状、等轴晶转变。因此,为了得到完整的枝晶组织,必须考虑到晶体的各向异性;同时生长行为也受到取向角的影响。(4)首先利用二元合金相场模型对Ni-Al合金在等温凝固下枝晶生长行为进行了预测,再现了形核在生长过程中从晶核到发达的树枝晶的演变规律。枝晶在生长过程中存在溶质偏析,枝晶根部界面的迁移速率明显低于枝晶尖,因此,在枝晶根部溶质偏析最为严重。等温凝固没有考虑枝晶在生长过程中产生的相变潜热,潜热扩散会改变过冷熔体中的传热和传质,因此,为进一步贴近实际物理过程,更好的理解枝晶在生长过程中组织演变,在模拟中引入了温度场。结果表明:枝晶在生长过程中释放的潜热使固相周围温度升高,即降低了过冷度,阻碍了界面的迁移,相比等温凝固,降低了枝晶尖端速率和固相分数。由于固相周围温度的升高,温度越高促进溶质的扩散,所以非等温凝固下溶质扩散层相对较薄。(5)雾化熔滴在飞行过程中与周围雾化介质进行迅速热交换,为了探究熔滴在快速凝固过程中枝晶的生长,在温度场控制方程引入恒定的边界热通量和对流换热(传热随生长时间发生变化)。边界热通量和对流换热的引入明显改变了过冷熔体的传质和传热。边界热通量作用下由于熔滴与雾化介质的传热为恒定值,促进枝晶干和二次枝晶的生长,固相率与生长时间呈线性增加,但由于快速凝固过程释放结晶潜热,温度曲线先下降后上升,表现为明显的再辉过程。对流换热边界条件的引入即快速凝固下,由于边界热交换系数随着时间不断降低,枝晶生长时释放的潜热不能及时的扩散出去,固相周围温度明显上升,从而阻碍了界面的迁移和枝晶生长。印证了合金在快速凝固下组织均匀、细小的原因。传统凝固等温多晶模型下模拟的枝晶发达,生长后期相互影响;快速凝固下枝晶生长受到抑制,主要原因是温度快速升高削弱了生长驱动力。
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【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TF123.71

【参考文献】