PDF《Pb-Sn 合金定向凝固斑点偏析的数值模拟》

244 Pb-Sn 合金定向凝固斑点偏析的数值模拟 崔家骏,李宝宽,牛? 冉,王? 卓 (东北大学冶金学院,辽宁沈阳? 110819) 摘要:为了探究二元合金垂直定向凝固过程中斑点偏析的形成过程,建立了定向凝固条件下 速度场、溶质场及温度场耦合求解的数学模型,并利用该模型模拟了Pb-10wt%Sn合金圆柱形 铸锭内的定向凝固过程.

结果表明,造成斑点偏析的流动起源于液相区而非糊状区内,富含 溶质的流体不断向糊状区通道处流动聚集,并通过糊状区从液相区持续补充通道内的流动. 凝固结束后在铸锭内部形成了细长的溶质富集通道,顶部斑点分布在以铸锭半径的1/2为半径 的圆弧附近,这一结果由实际生产铸锭的斑点偏析情况得以验证. 关键词:Pb-Sn合金;

定向凝固;

斑点偏析;

数值模拟 作者简介: 崔家骏 (1997-) , 男, 硕士, 主要研究方向为高温合金 定向凝固过程的通道偏析. E-mail:cuijiajun_neu@163. com 通讯作者: 李宝宽,男,教授,博士 生导师.

电话:024- 83672216,E-mail:libk@ mail.neu.edu.cn 中图分类号:TG111.4;

TG146.1+

4 文献标识码:A 文章编号: 1001-4977 (2019 ) 03-0244-06 基金项目: 国家自然科学基金-辽宁联合基金资助项目(U1508214). 收稿日期: 2018-11-16 收到初稿, 2018-12-21 收到修订稿. 随着科技水平的不断进步,当前军工和航空航天等高精尖领域急需一批在高温 高压等严苛条件下仍能正常工作的关键机械部件.如果制造不当,这些部件会发生 蠕变断裂和热疲劳失效.定向凝固技术有效控制了晶粒形状,产生了柱状微结构, 其中所有晶界沿铸件的纵向延伸,这大大提高了铸件的疲劳寿命,蠕变抗力和中温 塑性[1] ,因而成为合金生产过程中的主要工艺.然而在定向凝固合金铸件中,经常会 产生一种通道偏析,在垂直定向凝固条件下又称斑点偏析.可以观察到这些偏析为 一些细长的通道,排列在铸件的重力方向上,其中会有溶质元素的大量富集,严重 影响铸件的综合性能,甚至导致其直接报废.为优化定向凝固工艺参数,减少这种 凝固缺陷,有必要对其形成过程进行研究. 在斑点偏析形成的试验研究中,Copley等[2] 最早认识到底部冷却铸件凝固过程中 双扩散对流的存在及其重要影响,他们基于对NH4Cl-H2O系垂直定向凝固过程的直 接观察,指出糊状区中由于密度倒置引起的向上射流是造成斑点偏析的根本原因. Wang[3] 和Fredriksson[4] 分别采用不同的冷却和定向凝固方式对Pb-Sn合金的内部偏析情况 进行了实验研究.在此基础上,钟万里等[5] 采用NH4Cl-H2O实验模拟了二元合金的通道 偏析.在数值模拟方面,1991年Felicelli等人[6] 模拟了定向凝固的Pb-Sn合金中的通道形 成过程,开启了利用数值模拟方法研究通道偏析的先河.此后,Frueh等[7] 采用有限元法 模拟了Pb-Sn合金垂直定向凝固过程中的通道偏析形成.在国内,韩志强[8] 、曹海峰等[9] 分别对不同二元合金和镍基高温合金垂直定向凝固过程的通道偏析进行了模拟研究. 到目前为止,大部分斑点偏析预测模型都采用简化后的二维几何模型.尽管从 二维模型中已经学到了很多,但是通道形成显然是立体现象,糊状区通过液相区从 各个方向补充通道内的流动.本研究基于连续模型建立了描述二元合金凝固过程传 输现象的数学模型,并利用该模型模拟了Pb-10wt%Sn合金垂直定向凝固过程的热-溶 质对流情况及斑点偏析形成过程,将模拟结果与实际生产结果进行对比,验证了数 学模型的可靠性. 1? 数学模型 1.1? 假设及简化 数学模型的建立基于Bennon[10] 提出的连续介质模型,模型中引入如下假设: 2019年?第3期/第68卷245 (1)液相流动状态为不可压缩层流;