（材料加工工程专业论文）传热条件对铝合金凝固组织影响的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 铸造技术历史悠久，随着科学技术的不跃进步，工业生产中对于铸件约性能要求越 来越高，因此如何通过调整工艺参数来控制铸件的宏观凝固组织并提高其机械性能已经 成为当今铸造科研工作者研究的核心问题。 本文以传热条件对铝合金铸件凝固组织的影响为研究重点，在广泛参考国内外凝固 组织实验研究装置的基础上，以金属高频感应加热和水浴快速冷却为核心，自行设计了 一套简单、快捷、易重复实验的定向凝固装置，进行了大量的定向凝固实验。通过实验 得到了不同冷却速率下铝合金试样的宏观凝固组织和特定位置处的冷却曲线。 水冷金属界面换热系数是描述本文自行设计实验装置传热条件变化的重要特征物 理量。而且换热系数的影响因素多，测量与求解难。本文针对上述问题提出了一种求解 铝合金水冷界面换热系数的反求方法。该方法首先采用温度变量计算机自动采集系统采 集铝合金试样不同条件下的冷却曲线，然后根据数学模型，应用温度场模拟软件，通过 试算和迭代逼近的方法使数值模拟的温度曲线与实测冷却曲线相吻合，最后根据数值模 拟得到的热流密度和表面温度计算得到铝合金水冷界面的换热系数及其随温度的变化 曲线。本文还根据反求得到的换热系数结果，分析了7 0 5 0 铝合金水冷界面换热系数随 温度变化的特点及冷却水温度对换热系数的影响，主要结论如下：7 0 5 0 铝合金和其它金 属一样，其水冷换热系数最大值也出现在2 0 0 2 3 0 c 温度区间，水温的降低会使7 0 5 0 铝合金水冷换热系数增大，但不会改变换热系数峰值点对应的温度范围。 本文采用正交试验的方法研究了不同保温温度、冷却水温等条件对铝合金等轴晶形 核率、柱状晶形核率、柱状晶向等轴晶转变位置的影响规律，试验结果表明：降低保温 温度、升高冷却水温，会增大等轴晶区的面积；降低冷却水温、降低保温温度会增大铸 件柱状晶和等轴晶的形核率。本文还根据正交试验获得的c e t 位置实验结果，讨论了 国内外文献提出的c e t 位置判据对本研究的适用性，并针对本文的实验条件，提出了 具有更高预测精度的c e t 转变判据。 关键词：铝合金；换热系数；凝固组织；柱状晶向等轴晶转变( c e t ) 传热条件对铝合金凝固组织影响的研究 t h er e s e a r c ho nt h ei n f l u e n c ef o rh e a tt r a n s f e rc o n d i t i o nt o s o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r eo fa l u m i n u ma l l o y a b s t r a c t c a s t i n gt e c h n o l o g yh a sal o n gh i s t o r y w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y o fc a s t i n g , t h ep e r f o r m a n c ef o rc a s t i n g si sr e q u i r e dm o r ea n dm o r ei ni n d u s t r yp r o c e s s t h e r e f o r e ，i th a sb e e na ni m p o r t a n ta i mf o rm e t a l l u r g i s t st oa d j u s tt h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r s o fc a s t i n gi no r d e rt oc o n t r o lt h em a 口o s c o p ms o l i d i f i c a t i o ns t n l c t u r ea n di m p r o v et h e m e c h a n i c a lp r o p e r t y t h c p r e s e n tp a p e ri sf o c u s e do i lt h ee f f e c to fh e a tt r a n s f e rp a r a m e t e r so ns o l i d i f i c a t i o n s t r u c t u r eo fa l u m i n u ma u o vc a s t i n g o n 也eb a s i so fe x p e r i m e n t a ld e v i c e so fs o l i d i f i c a t i o n s l r u c t u r ei nd o m e s t i ca n df o r e i g nc o u n t r i e s an e wd k e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o nd e v i c ew a s d e s i g n e d , w h i c hw a sb a s e do nh i 曲f r e q u e n c yh e a t e ra n dw a t e rc o o l i n g 髓ec o o l i n g c o i v e so f s p e c i f i cp o s i t i o no fa l u m i n u ma h o ys a m p l e sw i t hd i f f e r e n tc o o l i n gr a t e s , 弱w e l la st h e m a c r o s c o p i cs t r u c t u r eh a v e b e e no b t a i n e da f t e rag r e a tm a n ye x p e r i m e n t s t h eh e a tt r a m f e rc o e 丘c i e n tb e t w e e nt h ea l l o ys a m p l e sa n dc o o l i n gw a t e ri sa ni m p o r t a n t p a r a m e t e r , w h i c hc a nd e s c r i b et l l ec o n d i t i o no fh e a tt r a n s f e r ，i nv i e wo ft h ed i f f i c u l t yo n m e a s u r i n gh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t a ni n v e r s ee v a l u a t i o nh a sb e e np u tf o r w a r dt oc a l c u l a t e t h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tb e t w e e nt h ea l l o ys a m p l e sa n dc o o l i n gw a t e r f i r s t , t h ec o o l i n g c i n v e so ft h eg i v e np o s i t i o ni nt h ea l u m i n u ma l l o ys a m p l e sw e r eo b t a i n e df r o mt h ec o l l e c t i n g s y s t e mo fc o m p u t e r t h e n 也ec o o l i n gc u r v e so fs i m u l a t i o nw e r em a d ec o i n c i d e dw i t h e x p e r i m e n t a lo n e sb ya d j u s t i n gt h eh e a tt r a n s f e rp a r a m e t e r s f i n a l l y ，a c c o r d i n gt on u m e r i c a l s i m u l a t i o nr e s u l t so fi n t e r f a c eh e a tf l u xa n ds u r f a c et e m p e r a t u r eo ft h es a m p l e s t h ec u r v e s o fh e a tt r a n s f e rc u e f f i c i e n tv a r i e dw i t ht e m p e r a t u r ew e r eo b t a i n e d f u r t h e r m o r e 。t h e i n f l u e n c e so fc o o l i n gw a t e ro nh e a tt r a n s f e rc o e 镪c i e n to f7 0 5 0a l u m i m t ma l l o ys a m p l e sw e r e a l s oa n a l y z e di nt h i sp a p e r i tc a nb ec o n c i u d e dt h a ta so t h e rm e t a l s 。t h em a x i m u mo fh e a t t r a n s f e rc o e 伍c i e n to f7 0 5 0a l u m i n u ma l l o ys a m p l e si sb e t w e e n2 0 0t o2 3 0 ，a n d 也eh e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n ti n c r e a s e sw i t hd e c r e a s i n gc o o l i n gw a t e rt e m p e r a t u r e ，h o w e v e r , t h er a n g e o fm a x i m u mt e m p e r a t u r ec o u l dn o tb ea f f e c t e db yc o o l i n gw a t e rt e m p e r a t u r e 1 1 bi n f l u e n c e so fh e a tp r e s e r v a t i o nt e m p e r a t u r ea n dc o o l i n gw a t e rt e m p e r a t u r eo n n u c l e a t er a t eo fe q u i a x e d n u c i e a t er a t eo fc o l u m n a ra n dt h e 仃a n s f e rp o s i t i o nf r o mt h e c o l u m n a rt oe q u i a x e dh a v eb e e na n a l y z e db a s e do no r t h o g o n a le x p e r i m e n t si nt h i sp a p e r n e r e s u l t ss h o wt h a tt h ea r e ao fe q u i a x e di n e a s e sw i t hd e c r e a s i n gt h eh e a tp r e s e r v a t i o n t e m p e r a t u r eo ri n o r e 硒i n gt h et e m p e r a t u r eo fc o o l i n gw a t e r a d d i t i o n a l l y ，n u c l e a t er a t eo f - 大连理工大学硕士学位论文 c q u i a x e da n dc o l u m n a ro ft h es a m p l e si n c r e a s e sw i t hd e c r e a s i n gt h et e m p e r a t u r eo fc o o l i n g w a t e ra n dh e a tp r e s e r v a t i o nt e m p e r a t u r e o nb a s i so fo r t h o g o n a le x p e r i m e n t s ，t h er e s u l t so f c e t p o s i t i o nh a v ea s ob e e no b t a i n e di n t h i sp a p e r , a n dt h ea p p l i c a b i l i t yo fl e t c r i t e r i o n d e d u c e di ns o m er e f e r e n c e sh a sb e e nd i s c u s s e d an 钾l e tc r i t e r i o nw a sp u tf o r w a r d k e yw o r d s ：a l u m i n i u ma l l o y s ；h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t ；s o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r e ； c o l u m n a rt oe q u i a x e dt r a n s i t i o n ( c e t ) - m 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 传热条件对铝合金凝固组织影响的研究 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和d g - 7 = 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名： 珥年上旦曰 大连理工大学硕士学位论文 1 前言 铸造工艺历史悠久，但在十九世纪以前一直是一种手工工艺经验的积累。近代，随 着工业化进程的发展，铸造工艺才逐渐发展为一项工程技术，逐步形成了比较完整的学 科体系。其中最重要的研究方向是凝固条件( 采用不同合金，不同冷却速度，变质处理 等等1 对凝固组织的影响。液态金属在铸型内凝固时，根据液态金属所含溶质的种类和 数量不同，铸型的材料、形状、大小、熔化及浇注温度、浇注方法等的差异，能得到不 同的凝固组织，而传热条件正是凝固条件中对凝固组织影响最为重要的因素之一。在实 际生产时，合金的成分是确定的，凝固过程中铸件凝固组织主要决定于传热条件( 铸造 过程中的所用的各种工艺参数) 。一般来说，工业上的铸锭和铸件在凝固后所形成的宏 观组织通常具有三个性质、晶体形态不同的区域，分别是表面细晶区、柱状晶区和中心 等轴晶区，铸件的机械性能主要取决于柱状晶区与中心等轴晶区间的比例，而柱状晶与 中心等轴晶间的比例是可以通过调整传热条件来改交的。因此，采用何种形式的传热条 件来获得预期的凝固组织是铸造工作者十分关注的课题。 1 1 凝固组织概述 i i 。i 铸件和铸锭的凝固组织 工业上的铸锭和铸件在凝固后所形成的宏观组织具有三个性质、晶体形态不同的区 域“棚。图1 1 给出了典型的铸锭横截面宏观组织示意图。从图1 ，1 b 可以清晰地看到如下 三个区域： ( 一) 表层细晶区：表面细晶区是紧靠铸型壁的激冷组织，也称为激冷区，由无规则排 列的细小等轴晶所组成。细晶区的晶粒细小，组织致密，机械性能很好。但由于细晶区 的厚度一般都很薄，有的只有几个毫米厚，因此没有多大的实际意义。 ( 二) 柱状晶区：柱状晶区由垂直于铸型壁( 沿热流方向) 彼此平行排列的拄状晶粒所 组成。 ( 三) 中心等轴晶区：中心等轴晶区由各向同性的等轴晶组成等轴晶的尺寸往往比表 面细晶区的晶粒粗大。 传热条件对铝合金凝固组织影响的研究 a 柱状晶“穿晶”凝固组织 b 舍有三个晶区的凝固组织c 全部等轴晶的凝固组织 图1 1 铸件的凝固组织示意图 f i g 1 1t h es o l i d i f i c a t i o n5 灯u c t i l 坤o f c a s t i n g s 1 1 2 凝固组织对机械性能的影响 一般来说，表面细晶区比较薄，对铸件的机械性能没有决定性的影响，铸件的机械 性能主要由柱状晶区和中心等轴晶区的比例决定。 柱状晶区中晶体的生长具有在特定方向择优生长的特点，即晶粒沿着垂直于模壁的 散热方向朝液体内部伸展。而晶粒在其它位向的长大会受到抑制，使树枝晶得不到充分 发展，因而晶粒在其它方向上的分枝少，结晶后的显微缩孔少，枝晶间杂质少，组织致 密。通常情况下，柱状晶较粗大，较脆，而且位向致，在性能上表现出明显的各向异 性。但由于柱状晶通常具有优良的高温力学性能和单向力学性能，在实际生产中，通常 采用定向凝周的方法获得具有柱状晶组织特征的高温合金叶片等铸件。 相对于柱状晶，等轴晶组织因各枝晶彼此嵌合，结合得比较牢固，不易产生弱化面， 在力学性能上具有各向同性的特点。其缺点是树枝发达，分枝多，显微缩孔较多，凝固 后的组织不致密，在后续的热加工过程中，容易产生中心开裂。 由此可见，不同凝固组织具有不同的性能。在凝固组织中，柱状晶区和中心等轴晶 区的大小，即铸件在凝固过程中柱状晶向等轴晶转变的位置是对铸件机械性能有比较大 影响的参数之一 2 大连理工大学硕士学位论文 1 2 柱状晶向等轴晶转变( c e t ) 模型综述 1 2 1 等轴晶生成机理 经典形核理论认为，表面细晶区是这样形成的。当液体金属浇入温度低的铸型时， 与铸型接触的一层液体受到强烈激冷，产生很大的过冷，因而在型壁上及其附近的金属 液体中会大量形核，并成长为细等轴晶区。由于这些晶粒是在过冷液体中形核、生长的， 它们的结晶潜热既能从型壁导出，也能向过冷液体中散失，因此受型壁散热方向的影响 较小，其一次分枝有的与型壁垂直，有的倾斜，晶体的生长无方向性。近几十年的研究 丰富了以上理论内容，认为浇注时液流的冲刷和浇注刚结束时因液体内外温度梯度较大 而产生的强烈对流，会引起铸型表面晶体的脱落和以后的增殖，也会使过冷区内大量形 核。 关于中心等轴晶区的生成，许多研究者基于各自的实验条件提出了不同的学说，比 较具有代表性的理论有： ( 1 ) 成分过冷理论。随着柱状晶的生长，选分结晶的进行，在柱状晶的前沿形成 溶质富集区，产生了成分过冷，当满足形核条件要求时，大量新的晶核形成并开始长大 形成等轴晶。 ( 2 ) 枝晶熔断理论旧。在凝固过程中，过热液体运动、液体的对流作用以及外部机 械作用等，使得在凝固处生长的树枝晶根部重新熔化或树枝晶的树枝被打碎，并被带入 到液体中形成游离的结晶核心，长大后成为等轴晶。 ( 3 ) 结晶雨理论蚴。在凝固温度下，钢锭上部生成的自由晶较纯，其密度比合金液 体密度大4 ，晶核长大到一定程度，在重力作用下，下降沉积在钢锭底部，自由晶体沉 积发展而成为等轴晶带。 ( 4 ) 固体质点理论。熔体中的某些固体质点( 如高熔点夹杂物) 可作为晶体的核心。 加入后成为外来核心，加入能产生固体核心的元素或增大成分过冷的元素，都可能得到 等轴晶。 ( 5 ) 晶体游离理论忉。日本的大野笃美认为，凝固初期在模壁上形成根部极度细的 等轴晶，由于液体的流动作用，这些等轴晶从模壁垒上游离而成为自由晶，并移动到液 体中，在游离过程中，如果进入高温区部分，则晶体溶解，若型壁上游离的晶体比熔体 重，则沿着型壁沉积，促进下部晶体的游离，晶体的生长和游离像连锁反应一样进行， 游离到液体中间的晶体，随着湿度的降低，不断生长，从而发展成为等轴晶带。 与柱状晶区相比，等轴晶区的各个晶粒在长大时彼此交叉，枝叉间的搭接牢固，裂 纹不易扩展，不存在明显的脆弱界面，各晶粒的取向各不相同，其性能不存在方向性。 3 传热条件对铝合金凝固组织影响的研究 这些是等轴晶的优点。但其缺点是等轴晶的树枝状晶体比较发达，分枝较多，因此显微 缩孔较多，组织不够致密。但由于显微缩孔一般均未氧化，因此通过压力加工后，一般 均可焊合。 t 2 2 柱状晶生成机理 柱状晶的形成机理包括： ( 1 ) 晶体的择优生长。柱状晶区是表面层晶体向内单向延伸生长的结果。随着液体中 对流的减弱，型壁上或凝固层上晶体的脱落量减少，由于结晶潜热的析出，使界面前液 体温度升高，细晶区不能扩展，而此时界面前沿温度梯度较大，成分过冷区小，一些细 晶粒区的晶体转向以枝晶状单向延伸生长。由于结晶中各枝晶的一次分枝方向不同，其 中一次分枝的方向( 如面心立方和体心立方为 1 0 0 ) 与凝固方向接近者长得较快，逐渐 超过其它枝晶而优先长大。沿 1 0 0 方向生长的柱状晶抑制了相邻的晶体而得到快速发 展。 ( 2 ) 单向传热促使晶体生长具有方向性。从传熟角度看，钢液凝固过程中，垂直于 模壁或结晶器方向散热快，因而主轴垂直于等温面的晶体生长速度快，形成了单向的柱 状晶。 内部柱状晶区的大小与铸型的导热能力、液体形核能力、浇注温度、合金性质等因 素有关。延缓和阻止内部等轴晶的形成，将促进柱状晶区的增大。 在柱状晶区中，晶粒彼此间的界面比较平直，气泡缩孔很小，所以组织比较致密。 但不同晶向的柱状晶之间是杂质、气泡、缩孔富集的地方，是铸件的脆弱结合面，当压 力加工时易于沿这些弱面形成裂纹和开裂。此外，柱状晶区的性能具有方向住，塑性差 的合金在热轧时很容易开裂。因此，一般要求避免形成发达的柱状晶区。 1 2 3 柱状晶向等轴晶转变机理国内外研究情况 迄今为止，对柱状晶向等轴晶转交机理的研究尚不够深入，引起的争论也较多。柱 状晶向等轴晶转变( c e r ) 方面的研究可以归纳为两个方面，即数学模型和实验研究。而 c e t 方面研究国外一直处于领先状态，到目前为止，国内c e t 研究工作开展的不多， 只有上海大学与大连理工大学材料学院做过一些相关的研究工作，因此文献主要围绕着 国外文献展开。 ( 一) 数学建模研究 上个世纪五十年代，研究者提出了许多等轴晶形成机理来解释c e t ，代表性理论有 成分过冷驱动的异质形核理论，亮带理论，枝晶脱落理论等。它们假定只要有晶核存在 4 大连理工大学硕士学位论文 就一定会生长成等轴晶区，没有深入讨论晶体生长的动力学、热力学条件等问题。到八 十年代，晶粒生长条件问题才引起重视。 目前，已经提出的c e t 模型有： 1 9 8 4 年，h u n t 首先提出了h u n t 模型呻，该模型基于熔体过冷，可以定量判断合金 成分，形核密度，温度梯度和尖端生长速度对c e t 的影响。但是，该模型有一定的限 制，由于模型中溶质不守恒，从而导致错误的预测等轴晶比例，因此不能准确地判断 c e t ，并且在模型中将不同的控制方程应用到柱状晶和等轴晶区域，控制方程比较复杂， 求解这些方程需要采用合适的匹配条件来显式追踪生长界面，在数值模拟上存在相当的 困难，尤其是多尺度环境。m 等人用b r i d g e m a n 定向凝固研究p b - c u 合金时发现，柱 状晶前沿速度的增加会促进等轴晶凝固，和h u n t 模型预测结果相一致，但是没有提供 更细节的对比，因为形核密度和形核过冷度都是未知数。 十年后，w a n g 和b e c k e r m a n n 嗍基于多相传输理论，建立了多尺度数学模型计算c e t 位置，可以解释热和溶质扩散，晶粒形核和生长等。该模型采用一维隐式数值算法，计 算凝固过程宏微观现象，用前沿追踪技术动态捕捉c e t 位置。然而，该模型假设形核 过冷度为零，为了和实验结果相符合，在模拟中只能人为地调整等轴晶形核密度。对 a i c u 采用了a o s m - 3 的形核密度，这个密度对应的最后等轴晶大约为1 3 r a m ，远大于实 际的测试尺寸3 1 m m ，而且模拟和实测的冷却曲线没有详细对比。 1 9 9 8 年f l o o d 和h u n t o ”合作进一步发展了h u n t 模型，通过解一维能量方程和追踪 a 强位置把该模型应用到非稳态过程中。柱状晶区的固相率用s c h i e l 方程计算。他们用 该模型研究了合金成分，等轴晶密度，换热系数，浇注温度对l e t 位置的影响，但是 结果中并没有给出各参数对c i 玎位置影响的预测结果。 近年来，对于c e t 模型方面也有学多学者做了很多相关工作。 g a n d i n 1 1 建立了定向凝固中柱状晶生长一维微观宏观综合传热模型，追踪双界面前 沿的位置，计算了a 1 s n ( 3 1 1 w t ) 的定向凝固过程。模拟结果表明，柱状晶前沿生 长达到最大速度位置的变化是迁移速度、过热度和合金成分的函数，提出了基于最大生 长速度的c e t 判据。这种判据和形核参数无关，因此只能应用到没有形核质点的合金 中。新的判据需进一步研究证实，尤其是需要原位观察证实两个机制，靠近c e t 枝晶 臂重熔和界面不稳定性。 a r e s “8 等人在实验基础上结合数值模拟，建立了a 汀转变的半经验模型。该模型能 够预测宏观组织主要参数，柱状晶宽度和长度，c e t 位置和等轴晶晶粒尺寸。对 p b 2 w t s n ，温度梯度低于a c c m ，液相前沿速度大约0 0 1 c m s ，则发生a t 。 5 传热条件对铝合金凝固组织影响的研究 g a r c i a “3 1 等人采用一维传熟模型计算了实验中的温度梯度和冷却速度，研究了溶质 浓度，潜热，界面换热系数对c e t 位置的影响。结果表明，界面换热系数不是很小时， 潜热释放对c e t 位置有重要影响，柱状晶长度随p b 浓度的降低和换热系数的增加而增 加。但是，该模型没有考虑柱状晶前沿的过冷。 w k u r z 与c b e n z e n c o n “”等人改进了h u n t 模型，用枝晶生长理论来解释快速凝固 效应，和h u n t 模型一样，用初始合金成分得到的过冷度计算柱状晶和等轴晶尖端速度， 因此，采用了等轴晶阻碍柱状晶生长来预测c e t 。他们把简化的模型用于预测激光和焊 接过程中的c e t ，将模型和工艺结合起来，直接指导凝固过程。但是他们也同样没有提 供与实验结果的对比。 g a n d i n 和r a p p a z 【i ”提出了随机模型，直接二维模拟晶粒宏观组织。c a - f e 模型基 于c a 技术和有限元方法，能解释热流和晶粒组织的交互作用。他们用该模型模拟了 a 1 7 w t s i 的定向凝固，为了使模拟的c e t 位置和等轴晶区再辉作用和实验一致，调整 了形核参数，除了上部等轴晶粒尺寸外，结果相当符合，他们把不符合的区域归结为等 轴晶沉积等原因所致。 c a s i q u e i r a “耵等人利用半经验模型通过温度场计算了凝固过程的重要参数，例如， 冷却速度、温度梯度、凝固前沿生长速率等，并把这些参数与柱状晶长度、等轴晶大小 联系了起来，虽然分析了c e t 位置，但是结果也没有进行验证。 综上所述，自从j d h u n t 在1 9 8 4 年第一个提出c e t 判据以来，研究者先后提出了 多种c e t 模型，总的可以归结为两类“”，确定论模型和随机论模型。随机模型指在跟 踪每个晶粒形核和生长，根据铸件最后组织可以判断c e t 。随机模型的主要缺点是占用 大量的计算机资源来求解铸件中的每个晶粒的情况，而且缺乏严格的物理基础或者采用 了一定的简化条件，例如，r a p p a z 和g a n d i n 假设温度场均匀，不考虑溶质扩散等。确 定模型不是求解铸件中每个晶粒的形核和生长情况，而是依靠求解宏观尺度上的平均量 和方程，通过追踪柱状晶前沿运动和计算柱状晶生长前沿过冷熔体中等轴晶的生长来预 测c e t ，确定模型中最重要的是选择合适的判据来决定等轴晶冻结柱状晶前沿引起a t 的位置。不论是确定模型还是随机模型，必须考虑等轴晶形核参数，比如，形核过冷度 和形核密度等。 c 二) 实验研究 凝固过程c e t 取决于铸造参数，比如，合金系和成分、铸件尺寸、铸型材料、铸 型温度、浇注过热度、金属，铸型界面换热系数、熔体对流和形核剂等。研究者对不同的 凝固工艺做了大量的实验来研究c e t ，从文献来看，主要是采用定向凝固的方法研究简 单的二元合金系，例如a i c l l ，a 1 s i ，s n - p b ，c u - s n ，p b - s n ，a 1 。m g 等。 6 大连理工大学硕士学位论文 m a h a p a t r a 和w e i n b e r g c “3 等人在1 9 8 7 年采用图1 2 所示的装置研究了s n 5 、1 0 、 1 5 w t p b 合金的c e t 转变，实验中为了研究异质形核的位置，合金中添加了一些铁粉。 研究发现：s n l o w t p b 合金c e f 转变迅速，几乎在平面内完成，h u n t 理论的c e t 有一 个逐渐变化的过程，与实验结果不符合；随着p b 增加，柱状晶区减少；枝晶尖端热场 和溶质场达到临界平衡时发生c e t ；f e 粉增加异质形核，但是对c e t 转变没有影响。 根据实验结果，提出了临界温度梯度判据。判据结果为：s n l o w t 9 卜- 0 1 0 8 m r - ，s n s w t 由1 0 1 m m ，s n l o w t 巾1 2 6 n u n 。 图l2w e i n b e r g 等人的实验装置 f i g 1 2m o l d ，f u m a c e , a n dc h i l la s s e m b l y f o rd i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o no fs a - p ba l l o y s o v m c m t 圈1 ，3f a yh u a 和g r u g e l 的实验装置 f i g 1 , 3s c h e m a t i co ff a yh u a s t h ee x p e r i m e n t a ls e t u p 1 9 9 6 年f a yh u a 和g x u g e l 蛐用透明有机物琥珀腈代替金属直接观察凝固过程c e t 实验装置见图1 3 。实验认为，等轴晶从枝晶断裂发展过来，这些碎片的沉降速度超过 了柱状晶的生长速度，这些观察到现象可以解释p b - 7 2 w t s n 中的c e t 。 a r e s 和s c h v c z o v t l z j 研究了p b - s n ( 2 ，4 ，1 0 ，2 0 ，3 0 ，4 0 w t ) 合金中平均冷却速 度和合金成分对a 强的影响，实验装置见图1 4 。根据测试的温度数据导出和分析与 c e t 相关的重要参数，例如冷却速度、液相线和固相线前沿速度、局部凝固时间、温度 梯度及再辉等，跟踪这些参数的变化，然后和凝固组织对比。研究表明，转变发生在一 个区域，温度梯度在- 0 8 1 c r a m 范围内，不会突然发生；转变前，温度梯度、液褶线 速度和热流达到临界最小值；转变区域等轴晶总是较小，转变后尺寸增加。h u n t 理论预 测与该实验结果不符合，提出了c e t 半经验模型，能够预测宏观组织主要参数、柱状 晶宽度和长度、c e t 位置和等轴晶晶粒尺寸等。 7 传热条件对铝合金凝固组织影响的研究 图1 4a r e s 和s c h v e z o v 实验的装置 f 培1 4 s c h e 嗽t i c o f a r e $ s e x p e 酬t 叩 1 9 9 6 年s u f i “”等人实验研究了砧4 5 研c u ，采用一维传热模型，计算了c e t 转 变时温度梯度和冷却速度，提出了如下的判据( 公式1 1 ) ，但没有和h l m t 模型对比。 g o 7 4 1 9 “ ( 1 1 ) 图1 5g a n d i n 的实验装置 f 培1 h 5 s c h c m d o f t h e 喇眦“l s u s e d f o r t b c 蛐e c t i o n a i 训衄t i 嘲璧r i m e 鹏 2 0 0 3 年g a n d m 1 ”实验研究了9 9 9 9 越。a 1 3 叭s i ，砧7 叭s i ，趟1 1 叭s i ，c e t 位置处柱状晶界面附近的局部过冷条件，实验装置见图1 5 ，该实验消除了浇注引起的 熔体流动。实验发现，上部金属与空气界面发生了冷却，导致a 1 9 9 9 9 表面枝晶层的 形成，并且出现“慧星”晶粒，和柱状晶相似，表面枝晶在触- s i 合金中无法和等轴晶 8 大连理工大学硕士学位论文 区分开，被怀疑是等轴晶的来源之一；随着溶质含量的减少柱状晶长度增加，观察到了 c e t 随成分的突然变化，但不能加以清楚的解释。在实验的基础上，提出了前面所述的 c e t 判据。 近年来h c i b c r g 咖等人研究了纯金属配置的a 1 7 s i 合金和商业a 1 7 s i 合金( 每种 合金分为变质和不变质两种情况) 的定向凝固，实验装置见图1 6 。实验发现，对特定 的传热条件，比如稳定的生长速度、熟梯度、冷却速度和共晶生长前沿的形貌取决于合 金成分，在变质的商业合金a 3 5 6 都观察到了在生长方向上延伸的共晶糊状区，但是在 高纯合金中形成平面共晶界面；在未变质的商业合金中观察到了主要生长前沿有晶团成 核的现象；s r 变质的高纯合金中大部分共晶u 具有相同的晶体取向，s f 变质的商业合 金共晶a 1 具有复杂的结构，这种差异可能是由于未知的成核基体引起的非均质形核引 起的；f e 和m g 的存在引起的连续过冷在商业合金中扮演重要角色，当共晶生长前沿出 现共晶团时，这种连续过冷导致c e t ，s r 改变了共晶成核机制。 s “吐 - 吖 d 喇- k m t l _ k n h e f o 一3 ， 棚e d _ 岫， 图1 6h e i b e r g 等人的实验装置 f i g 1 6s c h e m a t i co f h e i b e r g se x p e r i m e n t a ls e t u p g a r d a 圳等人通过改变合金成分，过热度和冷却速度对a 1 - c u ，s n - p b 合金的c e t 进行了系统的研究，实验装置见图1 7 及图1 8 。实验发现，枝晶尖端生长速度先降低然 后增加，与c r a n d i n 等人的逐渐增加相矛盾，他们认为这是由金属熔体中的自然对流引 起的，而采用经典的理论无法解释实验结果。他们还提出了c e t 临界冷却速度判据： a i c u 为0 2 k s ，s n - p b 为0 0 1 k s 。该课题组还采用自上而下的定向凝固研究了s n - p b 合金熔体对流对c e t 和枝晶间距的影响，结果表明，c e t 转变位置明显的受到合金成 分的影响：向下和向上的定向凝固对比表明，c e t 临界冷却速度判据仍然成立，只不过 9 k、；l、rj | i 淤 传热条件对铝合金凝固组织影响的研究 图1 76 a r c i a 等人定向凝固实验系统 f 培1 7 s c h e m a t i c r e p r 铭e n t a t i o n o f t h ee x p e r i m e n t a l s e t u p 图1 8g a r c i a 等人的自上而下的定向凝固实验装置 f 堵1 8s c l m m a t i cr e p r e s e n t a t i o no ft h ee x p e r i m e n t a ls e t u p 图1 9nm a n g e l i n c k - n o e l 等人的实验装置 f i 昏1 9s c h e m a t i co ft h ee x p e r m e n t a ls e t u p 大连理工大学硕士学位论文 变为o 0 3 k s ，可能是由于熔体对流引起的；向下凝固一次间距降低，二次间距趋于减 小，然而对s n l 5 w t p b 两者基本相同。 nm 缸g c l i n c k - n o e l 嘲等人采用第三代同步加速x - r a y 衍射成像技术原位实时研究 了a 1 3 n i 有无精炼剂的定向凝固，试样厚度大约0 1 6 m m ，实验装置见图1 9 。实验 发现，精炼剂的使用对控制等轴晶生长是重要的；等轴晶发生旋转，h u n t 模型的预测结 果和实验结果存在差异；所有实验结果完整细致的分析正在进行中，射线成像和组织观 察综合使用将会在研究应力应变、缺陷形成中提供新的可能。 从以上汇总的c e t 实验研究的文献来看，c e t 实验研究基本上都是采用定向凝固 实验的方法。在合金的选择上，主要是简单的二元合金系，例如a 1 - c u ，a 1 s i ，s n p b ， c u s n ，p b s n ，a 1 i g 等，用钢等高温合金做定向凝固实验研究c e t 鲜见报道，大体 上都是研究各种工艺参数对l e t 位置的影响。表1 1 为文献中总结出的c e t 判据。 表1 1c e t 判据总结 t a b 1 1 ( 强tc r i t e r i o n sf r o ml i t e r a t u r e n o 判据表达式人物国家时间 1 m 讹i ( 1 - ( 斜 h u n tg r e a t 1 9 8 4 b r i t a i n 2 临界温度梯度判据w e i n b e r g c a n a d a 1 9 8 7 s n l o 栅b - o 1 0 8 珊， s n s w t p 廿帕1 0 1 m ， s n i 钿t 9 6 p b _ 0 1 2 6 m ， 1 3 w t c l r o 0 6 r 3 g q 1 6 v s u r i f r a n c e 1 9 9 6 4 最大温度梯度 g a n d i nf r a n c e2 0 0 0 g _ f 1 4 0 5 争瓯( 8 触瓦篙) “ 1 0 n zs w i t z e r l a n d 2 0 0 1 6 半经验模型 a r e s a r g e n t i n a 2 0 0 2 温度梯度低于l o c m m ，液相前沿速度 大于0 i m m s 7 临界冷却速度 g a r c i ab r a z i l 2 0 0 2 a 1 c u0 2 k s ，s n p b0 0 1 k s 8 _ g o , “n 0 4 6 9 杨杰” c h i n a2 0 0 4 r 传热条件对铝合金凝固组织影响的研究 1 3 本文的主要任务 ( 1 ) 在广泛参考国内外凝固组织实验研究装置的基础上，设计和组装一套定向凝 固装置，并使用该装置获得不同冷却速率条件下铝合金试样的宏观凝固组织和特定位置 处的冷却曲线。 ( 2 ) 针对自行设计的实验装置，采用数学建模和实验相结合的方法，开展水冷金 属界面换热系数反求方法的研究，用反求得到的换热系数定量地描述传热条件的变化规 律。 ( 3 ) 采用正交试验的方法，研究保温温度、冷却水温等传热条件对铝合金试样等 轴晶形核率、柱状晶形核率、柱状晶向等轴晶转变位置的影响规律。 ( 4 ) 研究和讨论国内外文献提出的a 强位置判据对本研究的适用性，并针对c e l 正交实验结果，提出新的c e t 位置刿据。 大连理工大学硕士研究生学位论文 2 不同传热条件情况下金属凝固组织形成的实验研究 2 1 实验系统的设计 本文在广泛参考前人研究金属凝固组织时所使用的定向凝固实验装置的基础上，自 行设计了一套定向凝固实验系统，本实验系统在原理上能够保证定向凝固的实现，并具 有以下的优点： ( 1 ) 采用高频感应加热的方式，便于快速加热金属及进行重复实验； ( 2 ) 冷却方式可采取水浴冷却或喷水冷却，并可以通过调整和改变水温来改变和控制 冷却条件； ( 3 ) 实验装置便于操作、制作成本较低。试验结果表明，该装置能够满足定向凝固的 条件要求。 2 2 实验系统的制作 图2 1 a 、2 1 b 分别是定向凝固实验装置的系统组成示意图和实物图。采用本实验装 置完成一次实验和测温过程一般只需要5 分钟。 本实验体系由加热系统，冷却系统，工作台，测温系统4 个部分组成 图2 1 a 实验装置简图 f i g 2 1 as c h e m a f i cv i e we x p e r i m 钮眦a p p a r a 岫 1 ，2 高频感应装置及其循环冷却水3 石英管4 热电偶5 连接架 6 温度采集系统7 卡位销架台9 冷却水域1 0 绝热棉1 1 金属试样 传热条件对铝合金凝固组织影响的研究 图2 i b 实验装置实图 f i g 2 1 bp i c t u r eo f e x p e r i m e n t a la p p a r a t u s 2 2