基于Thermo-Calc熱力學(xué)計(jì)算Al-Cu共晶合金微觀組織模擬及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.pdf

1、Al-Cu共晶合金廣泛應(yīng)用于航空航天、艦船等軍事工業(yè)，以及汽車、建材等民用工業(yè)，是本世紀(jì)發(fā)展最快和使用量最多的金屬材料之一。該合金典型的特征是在共晶溫度附近從液相 L中直接生成兩種固相，即Lαβ→+。合金凝固研究的關(guān)鍵就在于控制其最終凝固組織，包括晶粒形態(tài)，晶粒度，微觀偏析和內(nèi)部相組成等。
　　當(dāng)前的相場(chǎng)模型，由于真實(shí)合金的自由能數(shù)據(jù)與相圖數(shù)據(jù)很難精確得到，主要是針對(duì)簡(jiǎn)單溶液模型的合金。本文應(yīng)用Thermo-Calc商業(yè)化軟件計(jì)算

2、 Al-Cu合金在溫度(791-841)K，成分(0-35)Cu(at.％)范圍內(nèi)的α相、θ相及液相 L的自由能數(shù)據(jù)與相圖數(shù)據(jù)，并且應(yīng)用亞規(guī)則溶液模型建立計(jì)算范圍內(nèi)Al-Cu合金各相連續(xù)自由能關(guān)系式。同時(shí)，把Thermo-Calc計(jì)算自由能數(shù)據(jù)引入相場(chǎng)與濃度場(chǎng)控制方程。采用KKS模型中基于合金原始相圖的體系自由能密度構(gòu)造方法，和WBM模型中不區(qū)分界面點(diǎn)的固液相成分來(lái)減少計(jì)算量的處理，建立能對(duì)各種合金熔體液固相變微觀組織演化進(jìn)行模擬的KK

3、S改進(jìn)相場(chǎng)模型。
　　用改進(jìn)的相場(chǎng)模型計(jì)算了Al-Cu合金在不同狀態(tài)下的等軸晶微觀組織。研究表明隨著過(guò)冷度的增加，等軸晶生長(zhǎng)速度也逐漸增大，等軸晶生長(zhǎng)形貌逐漸由不發(fā)達(dá)二次枝晶等軸晶→發(fā)達(dá)二次枝晶等軸晶→“正方形”等軸晶→粒狀等軸晶轉(zhuǎn)變。微觀偏析變化存在一個(gè)臨界溫度，高于此溫度的微觀偏析隨溫度的降低偏析程度逐漸加大，而低于此溫度時(shí)微觀偏析迅速降低，并且隨著溫度的降低逐漸接近于1。在非等溫等軸晶生長(zhǎng)模擬中，二次枝晶生長(zhǎng)沒(méi)有等溫生長(zhǎng)發(fā)達(dá)

4、，枝晶間高熔點(diǎn)液相增多，并且可以看出非等溫模擬主枝晶干較等溫模擬明顯變細(xì)。此外，通過(guò)引入取向場(chǎng)建立適用于多晶粒形核與生長(zhǎng)模型，計(jì)算不同條件下Al-Cu合金多晶粒的形核與長(zhǎng)大，研究了多晶粒生長(zhǎng)的晶粒碰撞、晶粒度和微觀偏析等。通過(guò)小各向異性多晶粒形核與生長(zhǎng)過(guò)程，顯示晶粒碰撞后兩晶粒之間的晶界近乎直線，最終凝固組織為近似多邊形。
　　模擬了Al-4.5Cu(at.%)合金在快速Bridgman定向凝固條件下，發(fā)生液固相變過(guò)程的界面形態(tài)和

5、微觀結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)演化。表明，當(dāng)生長(zhǎng)速度低于維持高速平界面的絕對(duì)穩(wěn)定速度時(shí)，隨著生長(zhǎng)速度的增大，存在胞狀樹(shù)枝晶向細(xì)胞晶的微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，固液界面處溶質(zhì)富集程度逐漸減小，溶質(zhì)分配系數(shù)增大且不斷向1逼近；當(dāng)生長(zhǎng)速度達(dá)到該絕對(duì)穩(wěn)定速度時(shí)，初始平界面輕微失穩(wěn)后將再次恢復(fù)為平界面，界面處出現(xiàn)溶質(zhì)的完全截流，形成接近無(wú)偏析結(jié)構(gòu)。在控制熱流定向凝固中，隨著邊界熱流的增加，凝固組織形貌發(fā)生很大變化，從樹(shù)枝晶→樹(shù)枝晶與柱狀晶并存→柱狀晶→細(xì)柱狀晶的轉(zhuǎn)變。

6、>　　對(duì) Nestler多相場(chǎng)模型進(jìn)行修正，引入各相自由能數(shù)據(jù)，建立實(shí)用性比較強(qiáng)的多相場(chǎng)微觀組織模型。研究共晶條件下均勻?qū)悠€(wěn)定生長(zhǎng)和不同位置切面溶質(zhì)分布。當(dāng)初始層片α-Al相和θ-Al2Cu相初始層片不均勻時(shí)會(huì)出現(xiàn)振蕩生長(zhǎng)。在共晶相生長(zhǎng)過(guò)程，如果初始層片間距如果不合理，將會(huì)發(fā)生共晶層片的形核與湮滅及間距再調(diào)整，在模擬其組織演化過(guò)程的同時(shí)，還詳細(xì)分析了其形成機(jī)理。此外，亞共晶成分的Al-Cu合金共晶定向組織進(jìn)行了模擬計(jì)算與分析。