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电磁搅拌作用下铝合金凝固组织的数值模拟

张衬新  
【摘要】:电磁搅拌法因具有非接触性、清洁及可精确控制等优点,已在有色金属及其它材料加工领域得到应用。但深入把握电磁搅拌作用下熔体的凝固过程,实现对凝固组织细化、均匀化精确控制一直是金属加工领域的研究热点。因此,系统研究电磁搅拌对凝固过程中流场、温度场以及凝固结晶过程组织演变等的影响规律,揭示电磁搅拌细化均质化作用机理,对于丰富金属凝固理论和电磁搅拌技术产业化应用均具有重要的价值。本文采用实验和数值模拟相结合的方法,研究了电磁场、流场和温度场耦合作用对Al-5%Cu合金凝固过程的影响,具体研究结果如下: (1)建立了有限元(Finite Element)和元胞自动机法(Cellular Automaton)相结合的宏微观耦合的CA-FE模型,该模型利用商用软件ANSYS计算电磁场,CA模型计算微观凝固组织形成。在微观计算中,形核模型利用基于高斯分布的连续形核模型计算,生长模型利用KGT模型计算枝晶尖端生长速率。研究了搅拌电流、频率、形核参数、浇注温度、铸模温度和铸模厚度对温度场、晶粒分布和尺寸等的影响规律。 (2)电磁搅拌使Al-5%Cu合金熔体温度场均匀,角部熔体冷却速率最快,组织更细小均匀。随着搅拌电流增加,磁感应强度和时均电磁力逐渐增加,角部熔体的磁感应强度和时均电磁力骤降,冷却速率变快,温度场更均匀,组织更细小;随着搅拌频率的增加,磁感应强度和时均电磁力逐渐减小,冷却速率变慢,组织粗大。 (3)无电磁搅拌时,随着浇注温度从690℃升至770℃,晶粒尺寸从385.7μm增大至512.9μm;施加电磁搅拌时,当浇注温度从690℃升到720℃,晶粒尺寸从247.2μm减小到219.4μm,继续升至770℃时,其反而增加至262.3μm,冷却速率加快。随着铸模温度从室温升至400℃,无电磁搅拌时,柱状晶比例减小,晶粒尺寸从409.2μm减小至343.7μm;施加电磁搅拌时,冷却速率快,柱状晶比例减少,晶粒尺寸从281.3μm减小到225.5μm。随着铸模厚度从10mm增加至20mm,无电磁搅拌时,晶粒逐渐粗化,柱状晶比例增加,晶粒尺寸从385.7μm增大至427.3μm;施加电磁搅拌时,冷却速率明显加快,且随着铸模厚度的增加冷却速率加快,平均晶粒尺寸从247.2μm减小至163.2μm。施加电磁搅拌时浇注温度等的影响减弱,电磁搅拌细化晶粒起主要作用。 (4)对比模拟与实验结果分析,在电磁场的作用下,温度场更加均匀,使得大量的形核核心同时形核,溶质不会推积在凝固界面前沿,降低了成分过冷,符合已知的均匀凝固理论,同时验证了所用模型、算法及程序的正确性。


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