A356合金顯微氣孔形成的數(shù)值模擬.pdf

1、NUMERICALMoDELINGOFMICROPoREFORM【ATIONINA356ALLOYAThesisSubmittedtoSoutheastUniversityFortheAcademicDegreeofMasterofEngineeringBYLIZhengyangSupervisedbyProfZHUMingfangSchoolofMaterialsScienceandEngineeringSoutheastUniver

2、sityJanuary2013摘要A356合金顯微氣孔形成的數(shù)值模擬研究生姓名：李正揚導(dǎo)師姓名：朱鳴芳教授學(xué)校名稱：東南大學(xué)摘要A356合金是目前工業(yè)上應(yīng)用比較廣泛的鑄造鋁合金之一。然而，由于鑄造生產(chǎn)過程中易產(chǎn)生顯微疏松缺陷限制了其鑄件產(chǎn)品在很多苛刻環(huán)境下的應(yīng)用。通過數(shù)值模擬技術(shù)對A356合金鑄件中顯微疏松缺陷進行模擬預(yù)測有助于加深認(rèn)識和掌握顯微疏松缺陷形成機制和規(guī)律，為優(yōu)化工藝和設(shè)計以控制和減少顯微疏松的形成提供指導(dǎo)，具有重要的學(xué)術(shù)和

3、實際意義。本論文針對Al合金鑄件中顯微疏松的重要組成部分——凝固過程中氣體析出形成的顯微氣孔開展模擬研究，完成的主要工作如下：本文首先對課題組前期工作所建立的二元合金枝晶耦合顯微氣孔模型中用元胞自動機(CellularAutomaton，CA)模擬氣孔和枝晶生長的算法、以及濃度場的質(zhì)量守恒等方面進行改進。應(yīng)用改進后的模型對AI7wt％Si合金在凝固過程中形成的顯微氣孔進行了模擬研究，分析了初始?xì)浜?、冷卻速度及變質(zhì)處理對顯微氣孔形成的影

4、響。結(jié)果表明：模型不僅可以模擬出與實驗結(jié)果較好吻合的枝晶和氣孔耦合生長的顯微形貌，而且可以較合理地模擬預(yù)測各種因素對顯微氣孔形成的影響趨勢。隨初始?xì)浜吭黾?，氣孔體積分?jǐn)?shù)、氣孔平均半徑和最大半徑均增大；隨冷卻速度降低，氣孔體積分?jǐn)?shù)增大，氣孔開始長大所對應(yīng)的溫度升高，氣孔密度呈現(xiàn)下降的趨勢。降低氫在鋁合金熔體的溶解度可以促使顯微氣孔更早地形核，最終的氣孔體積分?jǐn)?shù)也會增加；降低共晶凝固溫度也會導(dǎo)致氣孔體積分?jǐn)?shù)的增加。將二元合金的顯微氣孔生長

5、模型與前期工作所建立的二維三元合金的枝晶生長模型相耦合，建立起包括液、氣、固三相系統(tǒng)的三元鋁合金顯微組織和氣孔生長的模型和程序。在模型中用CA方法模擬枝晶和氣孔生長，用CALPHAD方法計算三元合金的熱力學(xué)相平衡。應(yīng)用建立的三元合金枝晶耦合氣孔模型分析模擬A356合金(AI7wt％Si04wt％Mg)中等軸晶、柱狀晶生長和氣孔形成之間的相互作用與競爭生長關(guān)系，分析了初始?xì)浜?、冷卻速度及變質(zhì)處理對顯微氣孔形成的影響。結(jié)果表明：定向凝固條

6、件下不同擇優(yōu)取向柱狀晶之間競爭的生長會對最終的枝晶形貌產(chǎn)生影響；氣孔的形核位置不僅對氣孔的最終形貌有影響，也會對枝晶的形貌產(chǎn)生影響。初始?xì)浜亢屠鋮s速度對顯微氣孔形成的影響趨勢與二元合金枝晶耦合顯微氣孔模型的模擬結(jié)果相一致；隨著表面張力的減小，氣孔的體積分?jǐn)?shù)、平均半徑及最大半徑均不斷增大；隨著氣孔最大形核密度的增加，氣體的體積分?jǐn)?shù)增加，但氣孔的平均半徑降低，最大半徑呈現(xiàn)降低的趨勢但變化不是特別明顯。模擬結(jié)果所反映出的規(guī)律與實驗結(jié)果有著較