基于CAFE模型的镍基合金定向凝固过程显微组织-中国有色金属学报.PDF

第 26 卷第 4 期 中国有色金属学报 2016 年 4 月 Volume 26 Number 4 The Chinese Journal of Nonferrous Metals April 2016 文章编号：1004-0609(2016)-04-0782-08 基于CAFE 模型的镍基合金 定向凝固过程显微组织模拟 1 1 1 1 2 3 张 璞 ，侯 华 ，赵宇宏 ，靳玉春 ，赵宇辉 ，眭怀明 (1. 中北大学 材料科学与工程学院，太原 030051 ； 2. 河北工业职业技术学院 机电工程系，石家庄 050091 ； 3. 扬州峰明金属制品有限公司，扬州 225117) 摘 要：采用 CAFE 模型(Cellular automata finite element method)模拟第二代镍基高温合金 CMSX4 凝固过程中的 晶粒生长，并探讨浇注温度和冷却速度对凝固组织的影响。结果表明：凝固开始时，首先在铸锭底部会形成一层 取向随机的细小等轴晶，由于晶粒间的竞争生长，晶粒数目减小，晶粒尺寸增大，〈001〉晶向与热流方向偏离角较 大的晶粒逐渐被偏离角较小的晶粒淘汰。浇注温度的提高会使晶粒尺寸变大、晶粒数目变小，而冷却速度的升高 却会使晶粒尺寸变小，与理论分析一致。 关键词：镍基合金；CMSX4 合金；CAFE 法；定向凝固；组织演化 中图分类号：TG146.15 文献标志码：A 凝固过程的显微组织模拟是指在晶粒尺度上对铸 直径的铸件凝固组织中柱状晶组织比例显著增大。仲 件凝固过程进行模拟，通过对铸件凝固过程的微观模 红刚等[9]使用 CAFE 模型预测水平单向凝固实验中， 拟只需做少量实验即可预测铸件凝固组织和力学性 Al-4.5%Cu 合金试样的温度场和显微组织模拟，结果 能[1−3] 。CAFE 模型是其中一种微观模拟方法，是 表明 CAFE 模型可以较准确地预测柱状晶向等轴晶转 [4−5] GANDIN 等 基于晶体凝固模型，在 CA 方法中引 变(CET)位置和等轴晶晶粒尺寸。张华等[10]对不同工 入晶粒的晶体学取向和枝晶尖端生长动力学，并与有 艺下Al-Si 合金A104 的凝固组织进行了三维模拟及预 限元热流计算方法相结合，形成的元胞自动机−有限 测，并进行了热态验证实验，发现模拟结果与实验结 元模型。其特征是：凝固区域首先用较粗的网格来计 果基本吻合，能够较为准确地反映出等轴晶和柱状晶 算温度场,在此网格内，划分成更细而均匀的节点,在其 的分布位置、比例和大小。MOHSEN 等[11] 比较了 中采用CA 模型进行形核与生长计算，CA 节点是自动 CAFE 模型以及 PFFE 模型(Phase field finite element 生成的。该方法可以模拟外层等轴晶与柱状晶的竞争 model)模拟Al-3%Cu 合金单晶凝固过程中的等轴晶生 生长、柱状晶区的形成、晶粒边界的取向与热梯度之 长过程的模拟结果，结果表明，CAFE 模型比 PFFE 间的关系、柱状晶向等轴晶的 CET (Columnar to