一种铸锭中宏观偏析及析出夹杂物的预测模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种铸锭中宏观偏析及析出夹杂物的预测模拟方法，包括以下步骤：获取金属材料和夹杂物的热物性参数；获取所述夹杂物的形核热力学条件；计算求解所述金属材料凝固时所需的质量、动量、能量、溶质传输；设置计算边界条件，初始化计算条件，开始循环，耦合求解所述金属材料的液相、等轴晶中固相、柱状晶相的质量、动量、能量、溶质传输，根据夹杂物热力学形核条判据，判断夹杂物的形核和生长，求解出所述夹杂物的尺寸和数量的分布域；更新所述热物性参数，判断收敛条件，根据判断结果决定是否重复迭代；直至铸锭凝固结束得到模拟结果。本发明专利技术适用于预测各种合金、不同吨位铸锭的宏观成分分布及夹杂物分布，对铸锭制备工艺优化具有参考作用。优化具有参考作用。优化具有参考作用。

【技术实现步骤摘要】
一种铸锭中宏观偏析及析出夹杂物的预测模拟方法


[0001]本专利技术涉及金属铸锭凝固过程模拟领域，尤其涉及一种铸锭中宏观偏析及析出夹杂物的预测模拟方法。

技术介绍

[0002]凝固过程中成分偏析是合金固有特性。因此，凝固后铸锭普遍存在成分不均匀现象，这种现象叫做宏观偏析；宏观偏析不仅和材料特性还与凝固过程中液体流动、等轴晶沉积、材料中非金属杂质的形成和流动等原因有关；凝固过程中随着温度降低和溶质在残留液相中富集，有相当一部分溶质元素与非金属元素结合易析出夹杂物，此过程会消耗部分溶质从而改变宏观偏析的分布。铸锭凝固过程是一个复杂的过程，如何高效准确地预测铸锭的成分、析出夹杂物分布一直是各国铸造工作者努力的方向。
[0003]目前国内外用于铸锭偏析预测的模拟方法中，存在以下主要问题：很少同时考虑液相、等轴晶、柱状晶和夹杂物行为的相互作用；没有考虑因析出夹杂物对最终偏析的影响；几乎没有跟踪夹杂物的分布及定量分析形核条件。
[0004]因此，本领域的技术人员致力于开发一种铸锭中宏观偏析析出夹杂物的预测模拟方法。

技术实现思路

[0005]有鉴于现有技术的上述不足，本专利技术所要解决的技术问题是如何高效准确地预测铸锭的成分、析出夹杂物分布和如何跟踪夹杂物的分布及定量分析形核条件。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了一种铸锭中宏观偏析及析出夹杂物的预测模拟方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1、设置铸锭凝固的计算边界条件，初始化计算初始条件；
[0008]步骤2、获取金属材料和夹杂物的热物性参数；
[0009]步骤3、获取所述夹杂物的形核热力学条件；
[0010]步骤4、计算求解所述金属材料凝固时所需的质量、动量、能量、溶质传输；
[0011]步骤5、开始循环，计算每个单元的温度梯度，确定柱状晶、等轴晶的生长区域，耦合求解所述金属材料的液相、所述等轴晶中固相、所述柱状晶相的质量、动量、能量和溶质传输，判断所述夹杂物的形核和生长，求解出所述夹杂物的尺寸和数量的分布域；
[0012]步骤6、更新所述热物性参数，判断收敛条件；
[0013]步骤7、如果满足所述收敛条件，进入下一个时间步计算并重复步骤2
‑
6；；如果不满足所述收敛条件，进入步骤5
‑
6；
[0014]步骤8、铸锭完全凝固时计算结束，得到模拟结果。
[0015]进一步地，所述等轴晶和所述柱状晶的生长条件判定依据如下：只要相应的过冷度存在，所述等轴晶被允许在所有的单元中形核与长大；而所述柱状晶只从铸模壁开始生长，此后跟踪所述每个单元的温度梯度来判断所述柱状晶的生长方向，同时该单元的温度
梯度满足一个阀值并且所述柱状晶前端沉积少于一定量的所述等轴晶时，所述柱状晶才能沿着热流反方向生长。
[0016]进一步地，所述等轴晶为枝晶状等轴晶，包含2个部分：包络线内部固相和包络线内部液相；所述枝晶状等轴晶的生长速率计算如下：
[0017][0018]所述等轴晶包络线内部固相凝固速率计算如下：
[0019]M
ls
＝v
Rs
·
S
s
·
ρ
s
·
f
l
，
[0020][0021]f
si
为所述等轴晶包络线内部固相率f
si
＝f
s
/f
env
；
[0022]其中：v
Rs
为所述枝晶状等轴晶的生长速率，D
l
为所述液相溶质扩散系数,为所述液相平衡浓度，c
l
为计算单元液相浓度，为固相平衡浓度，R
s
为所述等轴晶中固相的平均半径，R
f,s
为计算单元内等轴晶最大半径，M
ls
为所述等轴晶包络线内部固相凝固速率，S
s
为所述等轴晶中固相的平均面密度，ρ
s
为所述等轴晶的密度，f
l
为所述液相体积分数，λ2为二次枝晶间距，f
si
为所述等轴晶包络线内部固相分数，f
env
为所述等轴晶包络线体积分数，s
env
为所述等轴晶的平均面密度；
[0023]所述柱状晶生长速率计算如下：
[0024][0025]所述柱状晶凝固速率为：
[0026]M
lc
＝v
Rc
·
S
c
·
ρ
c
·
f
l
[0027]并且有
[0028]其中，v
Rc
为所述柱状晶生长速率，t为时间，ρ
c
为所述柱状晶的密度，R
c
为所述柱状晶的平均半径，R
f,c
为计算单元内柱状晶的最大半径，M
lc
为所述柱状晶凝固速率，S
c
为所述柱状晶的平均面密度，d
c
为所述柱状晶平均直径，λ1为一次枝晶间距，f
c
为柱状晶体积分数。
[0029]进一步地，所述夹杂物的形核和生长条件的判据为：以MnS夹杂物析出为例，所述液相中的Mn和S元素的浓度积K达到平衡浓度积K
eq
；
[0030]具体判据如下：
[0031][Mn]+[S]＝MnS；
[0032]logK
eq
＝
‑
8750/T+4.63；
[0033]K＝c
l,Mn
·
c
l,S
；
[0034]其中：T为温度，K
eq
为平衡浓度积，c
l,Mn
为所述液相中Mn元素的浓度，c
l,S
为所述液相中S元素的浓度。
[0035]进一步地，所述夹杂物的生长速率v
Rp
的计算公式为：
[0036][0037]其中，R
p
为所述夹杂物的平均半径，D
l,Mn
为Mn元素在液相中的扩散系数，ρ
p
为所述夹杂物的密度，为所述夹杂物形成的Mn元素平衡浓度临界值。
[0038]夹杂物生成速率为:
[0039]M
lp
＝v
Rp
·
S
p
·
ρ
p
·
f
l
[0040]S
p
＝π
·
d
p
·
d
p
[0041]其中：M
lp
为所述夹杂物生成速率，S
p
为所述夹杂物的平均面密度，d
p
为所述夹杂物的平均直径。
[0042本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铸锭中宏观偏析及析出夹杂物的预测模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、设置铸锭凝固的计算边界条件，初始化计算初始条件；步骤2、获取金属材料和夹杂物的热物性参数；步骤3、获取所述夹杂物的形核热力学条件；步骤4、计算求解所述金属材料凝固时所需的质量、动量、能量、溶质传输；步骤5、开始循环，计算每个单元的温度梯度，确定柱状晶、等轴晶的生长区域，耦合求解所述金属材料的液相、所述等轴晶中固相、所述柱状晶相的质量、动量、能量和溶质传输，判断所述夹杂物的形核和生长，求解出所述夹杂物的尺寸和数量的分布域；步骤6、更新所述热物性参数，判断收敛条件；步骤7、如果满足所述收敛条件，进入下一个时间步计算并重复步骤2
‑
6；如果不满足所述收敛条件，进入步骤5
‑
6；步骤8、铸锭完全凝固时计算结束，得到模拟结果。2.如权利要求1所述的铸锭中宏观偏析及析出夹杂物的预测模拟方法，其特征在于，所述等轴晶和所述柱状晶的生长条件判定依据如下：只要相应的过冷度存在，所述等轴晶被允许在所有的单元中形核与长大；而所述柱状晶只从铸模壁开始生长，此后跟踪所述每个单元的温度梯度来判断所述柱状晶的生长方向，同时该单元的温度梯度满足一个阀值并且所述柱状晶前端沉积少于一定量的所述等轴晶时，所述柱状晶才能沿着热流反方向生长。3.如权利要求1所述的铸锭中宏观偏析及析出夹杂物的预测模拟方法，其特征在于，所述等轴晶为枝晶状等轴晶，包含2个部分：包络线内部固相和包络线内部液相；所述枝晶状等轴晶的生长速率计算如下：所述等轴晶包络线内部固相凝固速率计算如下：M
ls
＝v
Rs
·
S
s
·
ρ
s
·
f
l
；f
si
为所述等轴晶包络线内部固相率f
si
＝f
s
/f
env
；其中：v
Rs
为所述枝晶状等轴晶的生长速率，D
l
为所述液相溶质扩散系数,为所述液相平衡浓度，c
l
为计算单元液相浓度，为固相平衡浓度，R
s
为所述等轴晶中固相的平均半径，R
f,s
为计算单元内等轴晶最大半径，M
ls
为所述等轴晶包络线内部固相凝固速率，S
s
为所述等轴晶中固相的平均面密度，ρ
s
为所述等轴晶的密度，f
l
为所述液相体积分数，λ2为二次枝晶间距，f
si
为所述等轴晶包络线内部固相分数，f
env
为所述等轴晶包络线体积分数，s
env
为所述等轴晶的平均面密度；所述柱状晶生长速率计算如下：所述柱状晶凝固速率为：M
lc
＝v
Rc
·
S
c
·
ρ
c
·
f
l
并且有其中，v
Rc
为所述柱状晶生长速率，t为时间，ρ
c
为所述柱状晶的密度，R
c
为所述柱状晶的平均半径，R
f,c
为计算单元内柱状晶的最大半径，M
lc
为所述柱状晶凝固速率，S
c
为所述柱状晶的平均面密度，d
c
为所述柱状晶平均直径，λ1为一次枝晶间距，f...

【专利技术属性】
技术研发人员：李军，夏明许，曾龙，李建国，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：