耦合热力学和动力学计算的挤压铸造镁合金共晶及析出相的建模与仿真研究

本项目以镁合金挤压铸造工艺开发为应用背景，为满足定量描述"工艺－组织－性能"关系的需要，选择挤压铸造镁合金中共晶和析出相为研究对象，开展建模仿真及相关实验研究，研究工作的特色与创新在于：（1）针对有实际工程应用价值的多组元多相镁合金，采用多相场方法耦合热力学和动力学计算，建立镁合金中共晶和析出相的定量预测模型，并采用先进实验手段对模型进行验证；（2）结合在镁合金凝固初生相模拟方面已经具备的研究积累，实现挤压铸造镁合金微观组织演化全过程模拟，即，从铸态组织（初生相、共晶、凝固后冷却析出相）到固溶、时效组织（析出相）的模拟。通过研究实现如下目标：建立挤压铸造镁合金铸造及热处理全过程组织演变模拟预测的方法与计算工具；获得挤压铸造条件下多组元镁合金成分、工艺、组织三者之间关联关系的规律性、系统性认识；为镁合金挤压铸造工艺开发中利用科学计算手段对材料与工艺设计进行模拟、预测和评估奠定基础。

本项目针对镁合金挤压铸造压力下凝固及后续热处理过程微观组织形成的机制和规律开展建模仿真及实验研究。研究工作取得如下主要进展和成果：（1）利用SEM、TEM、AFM对Mg-Al合金析出相的形貌特征、尺寸、分布规律进行了系统的实验表征。在此基础上，建立了模拟Mg-Al系合金时效过程连续析出相β-Mg17Al12演化的二维和三维相场模型。模型中考虑了化学自由能、界面能异性和弹性应变能的作用。利用实验获得的生长动力学结果对相场动力学系数进行了校正。（2）通过模拟揭示了Mg-Al合金时效析出相形貌演化与界面能和弹性应变能之间的关系，并阐明了析出相形貌的形成机理，为控制析出相形貌、改善合金析出强化效果提供了重要理论依据。（3）采用两套网格的数值处理技术消除了正交网格异性对析出相多变体模拟的干扰，并采用并行计算技术实现了多变体析出过程较大规模和尺度（微米级）的三维模拟，为基于析出相模拟的性能预测奠定了重要基础。（4）通过基于实测数据的CA-CCA分析，揭示了镁合金在压力下凝固时固相分数与温度的关系、压力对相变温度及共晶分数的影响等重要规律，获得了镁合金在压力下凝固的特征以及凝固组织形成的科学规律。（5）建立了耦合压力下热力学计算的镁合金凝固过程多晶粒相场模型，模型中考虑了压力对合金固液相自由能和溶质扩散系数的影响，模拟了不同压力下Mg-Al合金枝晶生长规律，初步揭示了压力对镁合金枝晶生长影响的规律。