一种合金初始成分对Al合金铸造微观组织影响的预测方法技术

一种合金初始成分对Al合金铸造微观组织影响的预测方法，涉及合金晶粒组织预测领域。本发明专利技术是为了解决目前合金初始成分对铸件组织影响的预测方法还存在模拟过程输入参数不符合实际、选用的正方体网格具有的各向异性的问题，进而导致无法准确预测合金铸件中合金初始成分影响晶粒细化程度的问题。本发明专利技术包括：获取合金初始成分下的形核过冷；将枝晶生长计算域进行网格剖分并确定网格的状态；根据网格的状态获取网格的温度场、形核转变后变化的物理量、加权平均曲率、固液界面液相成分、固相分数改变量、溶质扩散方程、液态正方体网格；重复计算上述量直到所有网格固相分数为1获得平均晶粒尺寸。本发明专利技术用于预测合金初始成分对铝合金组织的影响。金组织的影响。金组织的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种合金初始成分对Al合金铸造微观组织影响的预测方法


[0001]本专利技术涉及合金晶粒组织预测领域，特别涉及一种合金初始成分对Al合金铸造微观组织影响的预测方法。

技术介绍

[0002]随着汽车、航空航天等产业越来越明确国家推行的绿色发展的主题，全面发展节能减排技术，轻金属、轻合金被广泛应用，其中铝合金备受瞩目。铝合金具有较为突出的物理力学性能优势，比如密度小、塑形好、比强度高等，符合材料的轻量化、现代化的趋势。因为铝合金拥有这些特质，所以它在航空、航天、交通运输、机械制造等领域普遍被广泛应用。铝合金主要的成型工艺为铸造成型，因此铝合金铸件质量的提高对铝合金的广泛应用发展意义重大。提高铸件力学性能的最好的方法就是有效的利用晶粒细化技术。晶粒细化是改善合金力学性能的一种极其重要的手段，它不仅能够获得细小等轴晶提高合金的塑性和韧性，而且可以减少合金热裂倾向并消除凝固缺陷。因为等轴晶在加工时变形均匀、性能优异，屈服和抗拉强度都很好，利于铸造以及随后的塑性加工，因此大都追求铸件晶粒均匀、细小的等轴晶，铝合金也不例外。铝合金初始成分的变化是影响合金晶粒细化程度大小的一个重要的因素，因此控制铝合金初始成分对提高铝合金铸件质量也有着重要的意义。
[0003]目前，工业领域通常采用实验的方法研究合金初始成分对铸件组织的影响规律，虽然实验法具有易于操作的优点，但它的缺点更为明显：一方面是凝固过程中金属往往处于流动的状态，无法直观、有效的观察金属内部晶粒的变化，只能人为的通过实验结果推测实际物理过程，进而得到结论；另一方面是实验法往往需要在规定的条件下进行大量的实验，才可以得到最终的可信结论，并且实验过程中一定会有大量的人力、物力和财力资源的消耗以及环境的污染，而且最后也不一定能够得到符合预期的要求的结果，是具有较大的盲目性的。如今计算机技术快速发展，因此利用数值模拟的方法，来详细分析研究凝固过程中晶粒形貌及尺寸的变化，对合金初始成分进行优化，从而达到晶粒细化的目的，这在铸造工艺开发或工艺优化、改进的过程中，具有重要意义，因为数值模拟方法能够做到节能减排、绿色环保、缩短研发周期、实时动态揭示凝固过程相关物理机制，因此其具有明显的优势。
[0004]数值模拟的基础是数学物理模型，现如今描述合金凝固组织的数学物理模型中，元胞自动机模型由于物理机制明确、计算效率高、计算域大，在研究领域和工业领域中被广泛应用。目前二维枝晶组织数值模拟已日渐成熟，但三维枝晶组织的数值模拟研究较少。对铝合金而言，三维枝晶组织模拟中主要存在的问题是：在三维尺度上，对于具有面心立方(fcc)晶体结构的铝合金而言，六个主枝晶臂会沿着<100>方向生长。但是当冷却速度较快时，存在严重的各向异性失稳，会造成最终的枝晶形貌失准，即无法再现主枝晶臂在<100>方向上的择优生长，究其原因是元胞自动机模型中选用的正方体网格具有的各向异性干扰了数值模拟计算。因此如果要实现铝枝晶生长的准确预测，就要在模拟过程中消除正方体网格各向异性对模拟计算的影响。此外，在铝合金微观组织模拟中还有一个问题也需要被
关注：凝固过程中的形核过冷往往被认为是常数，但实际上形核过冷随初始成分的变化而变化，而对形核过冷的表征往往要依赖实验测试。因此目前合金初始成分对Al合金铸造微观组织影响的预测方法还存在模拟过程输入的参数不符合实际、选用的正方体网格具有的各向异性干扰了数值模拟计算的问题，从而导致了无法准确预测铝合金铸件中合金初始成分影响晶粒细化程度。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的是为了解决目前合金初始成分对铸件组织影响的预测方法还存在模拟过程输入的参数不符合实际、选用的正方体网格具有的各向异性的问题，进而导致了无法准确预测合金铸件中合金初始成分影响晶粒细化程度的问题，而提出了一种合金初始成分对Al合金铸造微观组织影响的预测方法。
[0006]步骤一、选取铝合金，并获取铝合金在升温和凝固过程的吸热和放热曲线，即DSC曲线，并利用DSC曲线采用差示扫描量热法表征铝合金中不同合金初始成分下的平均形核过冷度；
[0007]步骤二、采用边长尺寸为Δdim的正方体网格将枝晶生长计算域进行微观尺度网格剖分，获得多个正方体网格，并确定合金凝固过程中每个正方体网格的状态state(i,j,k)；
[0008]其中，每个正方体网格用(i,j,k)标识，i∈[1,h]是整数，j∈[1,n]是整数，k∈[1,m]是整数，且h、n、m均为大于100的自然数；
[0009]步骤三、获取步骤二划分的每个正方体网格在被赋予相同的温度T
l
时对应的温度场；
[0010]步骤四、利用步骤一获得的不同合金初始成分下的平均形核过冷度计算晶粒的形核过冷度并把计算过形核过冷度的形核核心随机分布到计算域中获取形核转变后变化的物理量；
[0011]步骤五、判断在凝固时刻t时每个正方体网格的状态，若正方体网格state(i,j,k)＝1，则执行步骤六；若正方体网格state(i,j,k)＝2或0，则执行步骤八；
[0012]步骤六、获取state(i,j,k)＝1的正方体网格的固液界面加权平均曲率K
Wmc
；
[0013]步骤七、获取state(i,j,k)＝1的正方体网格输出的生长修正因子，并利用生长修正因子获取state(i,j,k)＝1的正方体网格的固液界面液相成分和固相分数改变量；
[0014]步骤八、获取每个正方体网格的溶质扩散方程；
[0015]步骤九、根据每个正方体网格的状态确定凝固状态的正方体网格，并捕获凝固状态的正方体网格周围的液态正方体网格；
[0016]步骤十、重复执行步骤三～步骤九，直到凝固结束即所有的正方体网格所对应的固相分数f
s
(i,j,k)=1时，输出GID和步骤一选取的铝合金的给定合金成分下平均晶粒尺寸值d
mean
；
[0017]其中，GID是铝合金晶粒标号也就是形核核心标号。
[0018]本专利技术的有益效果为：
[0019]本专利技术设计了铝合金铸件中晶粒尺寸数值模拟的方法，基于实验获得晶粒的形核过冷度，计算得到晶粒尺寸随合金初始成分变化曲线，从而获得使晶粒得到细化的合适的
合金初始成分，更为准确地预测了铸件中合金初始成分对晶粒细化程度的影响，解决了目前无法成功预测合金初始成分对晶粒细化影响的问题，为铸造件成形过程中合金组织控制提供了理论指导，从而使模拟过程输入的参数符合实际，同时解决了选用的正方体网格的各向异性的问题进而解决了对数值模拟计算的干扰问题。本专利技术使晶粒得到细化的合适的合金初始成分，从多个方面为工艺开发和改进提供理论支持。
附图说明
[0020]图1为Al
‑
Si合金铸件砂型铸造系统示意图；
[0021]图2为实验所得Al
‑
3wt％Si、Al
‑
7wt％Si以及Al
‑<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种合金初始成分对Al合金铸造微观组织影响的预测方法，其特征在于所述方法具体过程为：步骤一、选取铝合金，并获取铝合金在升温和凝固过程的吸热和放热曲线，即DSC曲线，并利用DSC曲线采用差示扫描量热法表征铝合金中不同合金初始成分下的平均形核过冷度；步骤二、采用边长尺寸为Δdim的正方体网格将枝晶生长计算域进行微观尺度网格剖分，获得多个正方体网格，并确定铝合金凝固过程中每个正方体网格的状态state(i,j,k)；其中，每个正方体网格用(i,j,k)标识，i∈[1,h]是整数,j∈[1,n]是整数，k∈[1,m]是整数，且h、n、m均为大于100的自然数；步骤三、获取步骤二划分的每个正方体网格在被赋予相同的温度T
l
时对应的温度场；步骤四、利用步骤一获得的不同合金初始成分下的平均形核过冷度计算晶粒的形核过冷度并把计算过形核过冷度的形核核心随机分布到计算域中获取形核转变后变化的物理量；步骤五、判断在凝固时刻t时每个正方体网格的状态，若正方体网格state(i,j,k)＝1，则执行步骤六；若正方体网格state(i,j,k)＝2或0，则执行步骤八；步骤六、获取state(i,j,k)＝1的正方体网格的固液界面加权平均曲率K
wmc
；步骤七、获取state(i,j,k)＝1的正方体网格输出的生长修正因子，并利用生长修正因子获取state(i,j,k)＝1的正方体网格的固液界面液相成分和固相分数改变量；步骤八、获取每个正方体网格的溶质扩散方程；步骤九、根据每个正方体网格的状态确定凝固状态的正方体网格，并捕获凝固状态的正方体网格周围的液态正方体网格；步骤十、重复执行步骤三～步骤九，直到凝固结束即所有的正方体网格所对应的固相分数f
s
(i,j,k)＝1时，输出GID和步骤一选取的铝合金的给定合金成分下平均晶粒尺寸值d
mean
；其中，GID是铝合金晶粒标号也就是形核核心标号。2.根据权利要求1所述的一种合金初始成分对Al合金铸造微观组织影响的预测方法，其特征在于：所述步骤一中获取铝合金在升温和凝固过程的吸热和放热曲线即DSC曲线，并利用的DSC曲线采用差示扫描量热法表征不同合金初始成分下的平均形核过冷度，包括以下步骤：步骤一一、获取铝合金在升温和凝固过程的吸热和放热曲线：对所选取的铝合金，设置熔化过程初始温度为30℃，以10K/min的升温速度升到700℃，不进行保温处理；冷却过程从700℃以5K/min的降温速度降到30℃，然后获得该铝合金在升温和凝固过程的吸热和放热曲线即DSC曲线；步骤一二、利用DSC曲线采用差示扫描量热法表征不同合金初始成分下的平均形核过冷度，包括以下步骤：步骤一二一、根据步骤一一获取的DSC曲线确定共晶反应起始温度T
eutectic，measured
和α
‑
Al先析出相开始温度T
n，measured
，然后通过相图确定理论共晶反应温度T
eutectic，phase diagram
；步骤一二二、利用步骤一二一获取的T
eutectic，measured
、T
n，measured
和T
eutectic，phase diagram
确定不同合金初始成分下的平均形核过冷度ΔT
mean
：
ΔT
mean
＝T
l
‑
T
n
其中，T
n
＝(T
eutectic，phase diagram
‑
T
eutectic，measured
)+T
n，measured
式中，T
l
为液相线温度，单位℃。3.根据权利要求2所述的一种合金初始成分对Al合金铸造微观组织影响的预测方法，其特征在于：所述步骤二中确定铝合金凝固过程中每个正方体网格的状态state(i，j，k)，包括以下步骤：步骤二一、定义边界网格和非边界网格，并为枝晶生长计算域中的每一个非边界网格赋予邻居对象：所述边界网格的标号分别为：(i∈[1，h]，j∈[1，2]，k∈[1，m])、(i∈[1，2]，j∈[1，n]，k∈[1，m])、(i∈[2，h]，j∈[n
‑
1，n]，k∈[1，m])、(i∈[h
‑
1，h]，j∈[2，n
‑
1]，k∈[1，m])、(i∈[2，h
‑
1]，j∈[2，n
‑
1]，k∈[m
‑
1，m])、(i∈[2，h
‑
1]，j∈[2，n
‑
1]，k∈[1，2])；然后，对于非边界网格，每一个标号为(i，j，k)的正方体网格都有26个邻居对象，如下：6个第一近邻的标号为：(i，j，k+1)
I
‑1，(i，j，k
‑
1)
I
‑2，(i，j+1，k)
I
‑3，(i，j
‑
1，k)
I
‑4，(i
‑
1，j，k)
I
‑5，(i+1，j，k)
I
‑6；12个第二近邻的标号为：(i
‑
1，j，k+1)
II
‑1，(i+1，j，k+1)
II
‑2，(i
‑
1，j，k
‑
1)
II
‑3，(i+1，j，k
‑
1)
II
‑4，(i，j+1，k+1)
II
‑5，(i，j+1，k
‑
1)
II
‑6，(i，j
‑
1，k+1)
II
‑7，(i，j
‑
1，k
‑
1)
II
‑8，(i
‑
1，j+1，k)
II
‑9，(i+1，j+1，k)
II
‑
10
，(i
‑
1，j
‑
1，k)
II
‑
11
，(i+1，j
‑
1，k)
II
‑
12
；8个第三近邻的标号为：(i
‑
1，j+1，k+1)
III
‑1，(i+1，j+1，k+1)
III
‑2，(i
‑
1，j
‑
1，k+1)
III
‑3，(i+1，j
‑
1，k+1)
III
‑4，(i
‑
1，j+1，k
‑
1)
III
‑5，(i+1，j+1，k
‑
1)
III
‑6，(i
‑
1，j
‑
1，k
‑
1)
III
‑7，(i+1，j
‑
1，k
‑
1)
III
‑8；步骤二二、根据步骤二一获取的边界网格和非边界网...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘东戎，任喆，赵思聪，郭二军，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：