铝合金凝固过程中微观缺陷形成机制的数值模拟研究

The solidification and casting defects control in Aluminum alloys are the key basic research programs in Aluminum alloy castings, the decrease of casting defects is benefit for improving mechanical properties and reducing the cost. The rapid development of the numerical simulation technology provides a new efficient way to study this problem. In this project, the quantitative phase-field method is applied to numerical investigations of the formations of different types of casting defects (foreign particles, gas-driven pores, shrinkage-driven porosity, hot tearing) during solidification of Al-Cu binary alloy. The interrelationships between these casting defects and the solute and heat diffusion，liquid flow and microstructure formation during solidification of Al-Cu alloys are analyzed and discussed. The related experimental studies on casting defects formation in Al-Cu alloys are carried out. By combining these numerical and experimental results, the formation mechanism of micro-defects during solidification of Al-Cu alloys is achieved, and the interrelationship between microstructure evolutions and casting defects is specified, which will provide fundamental principles and technology accumulations for casting defects control in Aluminum alloys.

铝合金凝固过程研究及缺陷控制是目前铝合金研究领域的重要基础课题，减少和控制凝固缺陷对提高合金性能和降低成本具有重要意义。数值模拟技术的飞速发展为该领域的研究提供了新的思路。本项目拟以二元Al-Cu合金为研究对象，利用相场模拟技术，开展凝固过程中不同类型微观缺陷(夹杂物，气孔，缩孔，热裂纹)形成过程的数值模拟。在此基础上探究不同类型凝固微观缺陷与Al-Cu凝固过程中溶质及热量扩散、液相流动以及微观组织演化之间的相互作用关系。同时，进行Al-Cu合金中不同类型凝固微观缺陷形成规律的实验探索。在综合分析数值模拟结果与实验结果的基础上，总结铝合金中不同类型凝固缺陷形成规律，明确凝固缺陷与凝固微观组织演化之间的相互关系，为实现铝合金凝固缺陷控制提供原理基础和技术支持。

铝合金凝固过程研究及缺陷控制是目前铝合金研究领域的重要基础课题，减少和控制凝固缺陷对提高合金性能和降低成本具有重要意义。本项目拟以二元Al-Cu合金为研究对象，利用相场模拟技术，开展凝固过程中不同类型微观缺陷(夹杂物，气孔，缩孔，热裂纹)形成过程的数值模拟，总结铝合金中不同类型凝固缺陷形成规律。本研究主要基于相场方法针对铝合金凝固过程中的微观组织演化过程开展数值模拟研究，其主要的成果包括：建立了纯物质液固相变过程中气-液-固三厢耦合的相场模型，并利用该模型定性地模拟了不同性质气泡对凝固微观组织演化过程的影响，解释了凝固过程中气泡的成因及其对凝固过程中不同形态树枝晶生长过程的影响；基于Cahn-Hilliard方程研究了多元合金的相分离过程，分析讨论了不同元素在不同温度条件下的溶质扩散规律；利用耦合第二相界面的二元非等温的相场模型，模拟了不同初始条件下的柱状枝晶在不规则第二相界面存在时的生长发育情况，分析了第二相界面对枝晶发育形态，溶质偏析及温度分布的影响；利用耦合第二相的多晶相场模型，定性分析了第二相存在对多晶晶粒粗化过程的影响，基于Zener钉扎理论计算了第二相对晶界迁移过程的作用力，分析了不同形状第二相对多晶晶粒尺寸及分布的影响规律；基于经典形核理论，引入外电场对固液界面能的影响，计算外加电场存在条件下的金属形核及长大规律，总结外加电场参数-界面能-形核率-微观形貌之间的关系；采用相场模型研究了多孔结构形成过程中晶粒长大过程中的孔隙变形和晶界迁移特性，研究了不同形状和尺寸的孔与晶界的相互作用及其对微结构形成的影响。项目明确了凝固缺陷与凝固微观组织演化之间的相互关系，为实现铝合金凝固缺陷控制提供原理基础和技术支持。