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《哈尔滨工业大学》 2011年
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电场作用下合金液相流动及凝固结晶生长规律

张永  
【摘要】:在电场、磁场、超声波声场和微重力场等外场作用的金属凝固技术范畴内,电场凝固技术以其设备相对简单和操作比较灵活的特点而得到铸造研究和工程技术领域的重视。与传统的凝固过程采用化学方法处理相比较,电场以其特有的外场能量形式同样可以达到细化铸造晶粒和改良组织结构的目的,而且对合金熔体无成分改变、对环境和人体健康也不会造成损害。虽然已有研究表明电场可对多种铸造合金材料进行晶粒细化、组织结构调整和析出相形态控制,但在电场作用下可影响的合金种类在深度和广度上仍存在问题,尤其是在电场作用方式、电场作用液相流动机理和电场作用凝固机理需要开展深入而系统的研究。 本文综合运用数值模拟、相似性物理模拟和合金凝固实验的方法,研究了电场影响的合金液相流动及其凝固结晶生长过程。首先采用有限元方法,利用APDL(ANSYS Parametric Design Language)参数化设计语言,以Ti-(46-50at%)Al合金为例分别计算了在交流电场、脉冲电场及稳恒电场作用下,合金液相在型腔宽厚比分别为1:1、2:1、3:1、4:1、5:1及9:1铸型内电磁场及流场的分布规律,并对不同型腔中固/液界面前沿液相流动进行了数值模拟。其次根据相似性物理模拟准则,自行建立了用于研究电场影响的液相流动与结晶生长的多功能动态观测装置,分别选择NH4Cl-89.43at%H_2O、SCN-8.38at%ETH为单相类合金模拟物、NPG-90.45at%SCN为亚共晶类合金模拟物、AMPD-19at%SCN为过包晶类合金模拟物,观察了电场对其结晶生长的影响规律。最后采用型腔宽厚比为5:1的矩形铸型,通过直接通入电流,开展了电场影响下Al-9at%Si和Ti-50at%Al合金的铸造实验,并利用OM、XRD、SEM、EDS等分析测试手段分别对比分析了有无电场影响时两种合金的凝固组织、抗拉强度及维氏显微硬度变化。 本文通过上述研究获得以下主要结果:(1)在三种电场作用方式下,与其它铸型型腔宽厚比相比,5:1型腔内合金液相的流动趋于均衡,而且通过与交流电场或者脉冲电场比较,由稳恒电场所驱动的合金液相流动更加平稳和持久。电场对枝晶前沿液相区流场所产生的影响表现为,在胞、枝晶尖端的一侧形成漩涡,形成所谓的流动上游区。(2)稳恒电场作用于单相合金模拟物NH4Cl-89.43at%H_2O时,由于其固、液两相的电导率差别大,Joule热效应将起主要作用,对其游离晶重溶和等轴树枝晶、柱状树枝晶的生长形态产生影响,而采用单相类合金模拟物SCN-8.38at%ETH时,电场的Pinch效应及TEMHD(Thermoelectric magnetohydro-dynamic)效应促进了“平-胞”转变并加快了胞晶生长速度,由于TEMHD造成胞晶尖端前沿过冷度增大,导致胞晶出现分叉现象,此两种效应会造成柱状树枝晶迎流倾斜生长。(3)稳恒电场作用于亚共晶类合金模拟物NPG-90.45at%SCN结晶生长时,电场的Pinch效应会导致初生NPG相出现冲断和重熔,并导致NPG/SCN共晶相中NPG相出现分叉现象。(4)稳恒电场作用于过包晶类合金模拟物AMPD-19at%SCN时,发现电场使得包晶β相由长柱状生长转变为颗粒状生长,这是由于电场改变了初生相及包晶相的化学位,抑制了包晶相变的发生,从而降低了包晶β相的产量,导致其不易向发达的长柱状生长。(5)在电场影响的Al-9at%Si和Ti-50at%Al合金浇注与凝固实验中,建立了同质复合电极电流施加方法,并导出矩形铸型型腔内电流作用合金液相流动均匀性的判断准则,即(D/W)/(1/7/) ,(电极接线柱半径R≥0.01m,两极板间作用区长度L≤10m),当铸型型腔尺寸和电极尺寸满足该式时,可使电场影响的型腔内的液相流动效果最佳。电场对Al-9at%Si和Ti-50at%Al合金宽厚比5:1板坯试样的凝固晶粒组织均产生一定程度的细化,这验证并支持了现有关于电场细化铸造合金组织的结果。在Al-9at%Si的共晶组织中出现了共晶Si相分叉的现象,而在Ti-50at%Al合金的凝固组织中也出现了包晶相含量相对偏少的现象,即在电场的作用下,其包晶相的生长受到抑制。 本文最后从凝固热力学与凝固动力学角度分析和阐明了电场影响合金凝固的作用机制,这为促进电场凝固技术在铸造方面的应用奠定了一定的技术理论基础,同时也对Al-Si类合金和Ti-Al类合金在航空、航天和汽车等领域的进一步应用将产生积极影响。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TG111.4

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【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 唐勇,王建中,苍大强,王静松,赵昱祥;电脉冲作用下T8钢凝固组织的改变[J];北京科技大学学报;2000年04期
2 郭发军;陆巧彤;李玲珍;宗燕兵;苍大强;;交流电场对定向凝固及界面溶质分配系数的影响[J];北京科技大学学报;2006年02期
3 李万锋,杨院生,于力,张匀,胡壮麒;直流电场作用对K417G镍基高温合金凝固组织的影响[J];材料工程;2001年09期
4 顾根大;安阁英;徐雁允;李庆春;;电场作用下的枝晶间距[J];金属科学与工艺;1991年03期
5 顾根大;安阁英;李庆春;;电场作用下的材料凝固[J];材料科学与工程;1989年04期
6 马立群,舒光冀,陈锋;金属熔体在超声场中凝固的研究[J];材料科学与工程;1995年04期
7 孔凡涛,陈子勇,田竞,陈玉勇;提高TiAl基合金室温塑性的方法[J];稀有金属材料与工程;2003年02期
8 黄旭;齐立春;李臻熙;;TiAl基复合材料的研究进展[J];稀有金属材料与工程;2006年11期
9 范金辉,华勤,侯旭,李仁兴,富知愚,翟启杰;脉冲电流对奥氏体不锈钢凝固组织的影响[J];钢铁;2003年05期
10 傅恒志,魏炳波,郭景杰;凝固科学技术与材料[J];中国工程科学;2003年08期
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 刘兵;静电场对铝合金的作用效应与机制[D];西北工业大学;2002年
2 李杰;脉冲电流凝固细晶技术的机理及应用[D];上海大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前4条
1 李桃;涡流、温度耦合场的建模及有限元的数值分析[D];浙江大学;2006年
2 李继高;电磁场作用下铝镁合金组织性能变化规律研究[D];武汉理工大学;2006年
3 张永;脉冲电流处理对Al-Si活塞合金凝固组织和性能的影响[D];哈尔滨工业大学;2007年
4 屈淑维;稳恒磁场及直流电场对铝硅合金凝固过程及组织性能的影响研究[D];中北大学;2009年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 张富强,王久彬;连铸坯凝固过程中传输现象基础知识系列讲座 第五讲 连铸坯的凝固[J];鞍钢技术;1997年10期
2 王久彬,张富强;连铸坯凝固过程中传输现象基础知识系列讲座 第六讲 连铸坯凝固过程的溶质偏析(一)[J];鞍钢技术;1997年11期
3 王久彬,张富强;连铸坯凝固过程中传输现象基础知识系列讲座 第十一讲 连铸坯凝固过程中的成分过冷[J];鞍钢技术;1998年04期
4 郑伟;陈志浩;孙宇峰;;熔体过热对Sn-Cu焊料合金凝固组织及焊接性能的影响[J];安徽工程大学学报;2011年01期
5 宫彬彬;高洪波;钱稷;;温室侧窗开窗形式对流量系数取值的影响[J];安徽农业科学;2009年20期
6 郑颖人;肖强;辛建平;冯夏庭;;黄土无衬砌隧道破坏机制振动台试验研究——隧道稳定性分析讲座之二[J];地下空间与工程学报;2012年01期
7 卢珂;朱金才;杨进超;;某坑道破坏特征的地质力学模型实验研究[J];地下空间与工程学报;2012年03期
8 杨森,黄卫东,林鑫,周尧和;定向凝固技术的研究进展[J];兵器材料科学与工程;2000年02期
9 严文,陈建,范新会;在铜导线中晶界对信号传输影响的研究[J];兵器材料科学与工程;2003年04期
10 王超;袁守谦;张西锋;魏颖娟;杨拉道;吕然超;谷坤文;;电脉冲对335HRB螺纹钢凝固组织和力学性能的影响[J];兵器材料科学与工程;2009年02期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 刘榆;龙思远;张小红;曾聪;;AZ61镁合金的差热分析及凝固组织观察[A];2012(第22届)重庆市铸造年会论文集[C];2012年
2 宋彬;;铸造工艺设计及模拟CASTsoft CAE技术在耐磨铸件生产中的应用[A];2012(第22届)重庆市铸造年会论文集[C];2012年
3 王瑞春;曹志佳;白彦华;李荣德;;脉冲电流对铝及铝合金凝固过程作用的研究综述[A];第十二届全国铸造年会暨2011中国铸造活动周论文集[C];2011年
4 宋彬;;CASTSoft CAD/CAE技术在铸造工艺设计中的应用[A];第十二届全国铸造年会暨2011中国铸造活动周论文集[C];2011年
5 王文军;张学龙;朱红发;徐培民;;带钢抖动试验装置设计与分析[A];机械动力学理论及其应用[C];2011年
6 张玉杰;李斌;;阻尼不相似动响应模型的修正方法研究[A];第十届全国振动理论及应用学术会议论文集(2011)下册[C];2011年
7 张玮;汪玉;杜俭业;;瞬态载荷作用下船体板架结构单参数畸变相似模型研究[A];第九届全国冲击动力学学术会议论文集(下册)[C];2009年
8 黄俊;张建辉;;“Y”锥组合流管无阀压电泵的原理与实验验证[A];Proceedings of the 2010 Symposium on Piezoelectricity,Acoustic Waves and Device Applications[C];2010年
9 李宏男;田利;张鹏;;高压输电塔-线体系多维多点振动台试验模型研究[A];第八届全国地震工程学术会议论文集(Ⅱ)[C];2010年
10 李敏堂;严萍;袁伟群;孙鹞鸿;孙连华;周媛;刘传谱;;强流脉冲对结构体冲击力的数值模拟计算及试验[A];中国核科学技术进展报告——中国核学会2009年学术年会论文集(第一卷·第7册)[C];2009年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 王忠义;船用燃气轮机排气引射装置性能研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 朱登亮;槽形竖壁冷凝强化规律研究与结构优化[D];华东理工大学;2011年
3 起华荣;A356合金熔体调控对流动性的影响机理研究[D];昆明理工大学;2009年
4 刘媛媛;二元Pb合金结构和性质的分子动力学模拟及真空蒸馏实验研究[D];昆明理工大学;2010年
5 王春建;Mg-Al系合金晶粒细化机理研究[D];昆明理工大学;2010年
6 王致明;几种合金熔体的不均匀性及其特征研究[D];山东大学;2010年
7 刘雪美;喷杆喷雾机风助风筒多目标优化设计[D];山东农业大学;2010年
8 程丽任;铸造态、挤压态、半固态Mg-Li-Al系合金组织和力学性能研究[D];吉林大学;2011年
9 王宁玲;基于数据挖掘的大型燃煤发电机组节能诊断优化理论与方法研究[D];华北电力大学(北京);2011年
10 张云清;发动机悬置系统动力学建模及优化研究[D];华中科技大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 王锦永;FeCoNiCr基多主元合金的定向凝固组织演化及电化学腐蚀行为[D];河南理工大学;2010年
2 易成;退火工艺对铸轧5052铝合金组织和性能的影响[D];郑州大学;2010年
3 王岩;Ca、Sr对AS21合金组织及性能的影响[D];郑州大学;2010年
4 马伟伟;喷杆弥雾机气流辅助系统的设计与试验[D];山东农业大学;2010年
5 潘涛;深潜器耐压结构强度分析与优化设计[D];哈尔滨工程大学;2010年
6 朱敏;内燃机排气噪声半主动控制技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
7 赵春风;基于通用状态方程的爆炸焊接特征线法研究[D];大连理工大学;2010年
8 王岩;树枝晶前沿热电磁流体动力学效应的研究[D];辽宁工程技术大学;2009年
9 冯剑;矮寨特大悬索桥缩尺模型设计研究[D];长沙理工大学;2010年
10 马裕超;复合隔震结构地震反应试验及研究[D];河北工程大学;2010年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 韩至成;电磁冶金[J];北方工业大学学报;1994年01期
2 李建国,张富祥,王立军,张永刚;γ-TiAl基自生复相材料的显微组织特征[J];北京航空航天大学学报;2000年05期
3 张虎,高文理,张二林,曾松岩;TiAlB合金中初生TiB_2的形貌及其形成机理[J];北京航空航天大学学报;2002年05期
4 赵昱祥,苍大强,王建中;脉冲电压对GCr_(15)轴承钢凝固组织的影响[J];北京科技大学学报;2002年01期
5 王开阳,王金国,陈国良;机械合金化制备γ-TiAl+Ti_2AlN纳米复合材料[J];北京科技大学学报;1995年01期
6 王俊,孙宝德,疏达,周尧和;材料研究中的电脉冲处理技术[J];材料导报;1999年02期
7 贺幼良,杨院生,胡壮麒;电磁场作用下的金属凝固与成形[J];材料导报;2000年07期
8 赵志龙;刘兵;张蓉;刘林;;电场作用下的金属凝固行为研究[J];材料导报;2001年09期
9 高守雷,翟启杰,戚飞鹏,富知愚,龚永勇;超声波在金属凝固中的应用与发展[J];材料导报;2002年09期
10 朱昌盛;王智平;荆涛;柳百成;;对流影响枝晶生长的相场法模拟研究进展[J];材料导报;2004年12期
中国重要会议论文全文数据库 前2条
1 张明;李建辉;张福成;;高能量密度脉冲电流对Fe_(76)Si_(12)B_(12)共晶合金凝固组织的影响[A];第五届中国功能材料及其应用学术会议论文集Ⅰ[C];2004年
2 翟启杰;赵沛;胡汉起;徐匡迪;;金属凝固细晶技术研究[A];2004中国铸造活动周论文集[C];2004年
中国博士学位论文全文数据库 前6条
1 刘兵;静电场对铝合金的作用效应与机制[D];西北工业大学;2002年
2 张北江;低频电磁场作用下铝合金半连续铸造工艺与理论研究[D];东北大学;2002年
3 班春燕;电磁场作用下铝合金凝固理论基础研究[D];东北大学;2002年
4 张勤;低频电磁半连续铸造铝合金工艺及理论研究[D];东北大学;2003年
5 廖希亮;脉冲电流对金属凝固组织的影响[D];上海大学;2007年
6 龚永勇;脉冲磁致振荡凝固细晶技术基础研究[D];上海大学;2008年
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 王劲;直流电流及脉冲电流对ZA27合金凝固组织影响的实验研究[D];兰州理工大学;2003年
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 李智燕;易丹青;李荐;吴春莺;;电场对2E12铝合金时效硬化曲线和微观组织的影响[J];材料科学与工程学报;2009年05期
2 李智燕;易丹青;周明哲;;电场时效对2E12铝合金力学性能和微观组织的影响[J];中国有色金属学报;2009年08期
3 何德文,李金香,汪洪生;饮用水消毒技术的研究进展[J];干旱环境监测;1999年01期
4 黄立国;张伟强;;连续电场作用下的铝-铜合金共晶片层形貌[J];机械工程材料;2005年11期
5 韩忠娟;杨敬一;徐心茹;;SP二元复合驱采出液破乳研究[J];油田化学;2011年01期
6 ;浮选前用直流电场处理矿浆[J];云南冶金;1974年04期
7 徐艳,何德文;饮用水消毒副产物处理技术及其进展[J];环境保护科学;2004年02期
8 刘杨;王磊;丁扬;崔彤;王延庆;;电场处理对GH4199合金组织与变形行为的影响[J];中国有色金属学报;2006年10期
9 刘杨;王磊;乔雪璎;王延庆;;应变速率对电场处理GH4199合金拉伸变形行为的影响[J];稀有金属材料与工程;2008年01期
10 李婷婷;宋述尧;迟燕平;;高压脉冲电场对大蒜采后抗氧化物质的影响[J];食品科学;2009年06期
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1 张锦珠;董仁杰;鲁崎唔;;正常人红血球细胞在脉冲电场作用下结构变化的电镜观察[A];中国细胞生物学学会第五次会议论文摘要汇编[C];1992年
2 王建军;周俐;李强;金友林;常立忠;;电场作用下钢水脱铜的可行性研究[A];2005中国钢铁年会论文集(第3卷)[C];2005年
3 辜敏;鲜学福;杜云贵;;电场作用下煤吸附甲烷的势模型[A];第九届全国渗流力学学术讨论会论文集(一)[C];2007年
4 张锦珠;孙彤;陈云俊;庞素珍;;脉冲电场对正常人红血球细胞内钠离子浓度影响的NMR研究[A];中国细胞生物学学会第五次会议论文摘要汇编[C];1992年
5 郭骅;马玉蓉;方容川;许存义;左健;;激光喇曼光谱在非晶金刚石薄膜中的应用[A];中国物理学会光散射专业委员会成立十周年暨第六届学术会议论文集(上)[C];1991年
6 王洪波;李延伟;赵键伟;潘钦敏;;DNA分子在电场作用下的理论研究[A];中国化学会第二十五届学术年会论文摘要集(上册)[C];2006年
7 武建劳;戴建华;张洪钧;;外加电场作用下BaTiO_3:Ce晶体中内场的研究[A];第三届全国光学前沿问题讨论会论文摘要集[C];1997年
8 刘建平;唐波;何国祥;景涛;;电场作用对血管平滑肌细胞膜血管紧张素Ⅱ受体表达的影响[A];中华医学会心血管病学分会第八次全国心血管病学术会议汇编[C];2006年
9 陈义龙;M.Ionescu-bujor;A.Iordachescu;E.A.Ivanov;D.Plostinaru.;;用扰动角关联法研究金属Sn中的电场作用[A];第五次核物理会议资料汇编(上册)[C];1982年
10 苏玉忠;赵亚东;李军;高浩其;;电促芳烃萃取研究[A];中国化工学会2005年石油化工学术年会论文集[C];2005年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 杨五一;精准农业破解植棉难题[N];中华合作时报;2004年
2 张军;测叶片便知品种真假[N];农民日报;2001年
3 张孟军;美拟加快机器鹰“孵化”进程[N];科技日报;2004年
4 习一;日本生产特殊视觉效果的织物[N];中国纺织报;2003年
5 王长振;电磁辐射的生物学效应及生物医学应用[N];中国中医药报;2003年
6 河北 卢兰山;静电防护浅谈[N];电子报;2001年
7 记者 郑晓春;英开发出生物用药新技术[N];科技日报;2001年
8 梓闻;电场和超声波结合治疗癌症[N];医药经济报;2003年
9 记者周颖;铜离子电化学疗法治痔疮疗效好[N];中国中医药报;2003年
10 实习生 杨海鹏;OLED显示器首次应用到神七舱外航天服[N];中国新闻出版报;2008年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 张永;电场作用下合金液相流动及凝固结晶生长规律[D];哈尔滨工业大学;2011年
2 刘杨;电场处理对镍基高温合金组织演化、变形行为与耐腐蚀性能的影响[D];东北大学;2008年
3 熊毅;外电场作用下精微机械的界面粘附特性研究与控制[D];清华大学;2010年
4 韩玉珠;高压脉冲电场常温快速提取中国林蛙多糖工艺机理研究[D];吉林大学;2006年
5 覃玉荣;外电场作用下悬液中细胞膜电压变化建模研究[D];华南理工大学;2005年
6 詹珍贤;非球面液滴微透镜及其阵列的制作和应用研究[D];中国科学技术大学;2010年
7 田强;凝聚态中若干非线性现象的理论研究[D];北京师范大学;1998年
8 胡双林;低维材料第一性原理计算研究[D];中国科学技术大学;2009年
9 杨刚;NdFeB合金的氢爆及其电场烧结研究[D];四川大学;2006年
10 窦艳丽;聚合物分散液晶膜的制备与研究[D];吉林大学;2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 高雪红;高压静电场预处理黄豆对其幼芽生物成份的影响[D];陕西师范大学;2008年
2 敖敦格日乐;电场对酶蛋白分子构象及活性的影响[D];内蒙古大学;2006年
3 褚江永;电场对过氧化氢酶分子构象及其酶活性的影响[D];内蒙古大学;2009年
4 樊宇;外电场对α-淀粉酶二级结构及其酶活性的影响[D];内蒙古大学;2008年
5 张卓睿;高电压脉冲电场作用下牛骨钙快速离子化的研究[D];吉林大学;2006年
6 赵海燕;脉冲电场作用下铝熔体的遗传性及其结构转变[D];辽宁工学院;2007年
7 王征宏;静电场处理油葵种子对其抗旱性影响的研究[D];内蒙古农业大学;2002年
8 张羽;高压芒刺静电场对肿瘤细胞和荷瘤小鼠生长的影响[D];东北师范大学;2006年
9 殷俊;低频脉冲电场逆转MCF-7/ADR对HHT和VCR耐药性的研究[D];华东师范大学;2007年
10 张岩;高压芒刺电场处理大豆及黄瓜种子对其萌发影响的实验研究[D];东北师范大学;2007年
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