Al-Cu-Zn合金的液态结构和凝固行为的数值模拟与实验研究

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1、摘要凝固是现代会属材料最重要的制备路径之一，各种各样的微观结构和相应的材料性质可以通过改变材料成分和工艺条件来获得。近几十年来，人们对凝固过程的认识取得了重要的进展，然而，凝固过程非常复杂，目前还没有完全理解的几个相互作用的物理现象仍然决定着合金的凝固行为。本文从熔体结构、分凝行为和微观偏析三个方面研究了多元A1基合金的凝固特性。在铝合金的熔体结构研究方面，本论文分别使用Lennard—Jones模型、Meadima模型、缔台溶液模型和Vogel．Fulcher．Tammann模型研究了Al及A1．Cu合金的熔体结构．描述了金属熔体中的动力学形核特点。首先，采用

2、分子动力学方法结合Lennard．Jones模型研究了纯Al熔体在加热和冷却过程中的比温度、比内能等热力学性质，计算了模型体系的形态和对分函数。研究结果表明，冷却过程中，体系形态从无序逐渐转变为有序，对分函数第一峰峰值从5增大到22，体系发生相变的比温度为0．51。加热过程中，模型体系形态一直是无序的，对分函数第一峰峰值在4至5之间变化。第二，通过分析Mediema模型和亚规则溶液模型在描述A1-Cu合金过剩自由能上的差异，提出了一个新的模型。该模型考虑了液态结构因素对二元合金热力学描述的影响，经过与实验测定的溶液过剩自由能比较，证明本文提出的热力学模型具有非常

3、好的实用性，使用此模型可以计算熔体中存在各种不同成分的有序原子团时对A卜Cu二元合余热力学性质的影响。第三，将Al-Cu熔体中的缔合物A1Cu3以短程序的形式引入霹换溶液模型中，基于Redlich．Kister多项式，提出了～个直接用于ThermoCalc相图计算软件的缔合溶液模型，并用这个模型改进了A卜cu合金体系中液相的热力学描述，计算了A卜cu熔体混合焓，固相线和平衡分凝因数，研究发现本模型比目前广泛应用的Saunder模型能给出更好的结果，而且适用于Mg—Sn和In—Sb等其他二元合金体系液相的热力学描述。最后，使用Vogel．Fulcher-Tamma

4、nn(VFT)模型描述了金属熔体中晶坯的动力学形成过程和均匀形核特点。实验测量的粘度和物质传输性质用于确定俚-p分叉温度和VFT模型参数，模型可以计算形核温度、熔体中临界晶坯尺寸和液相固相之间的热容跳，可以分析熔体过热处理对形核过程的影响。在Al-Cu·Zn合金的分凝行为研究方面，本论文实验测量了平衡分凝因数，建立了三元合金分凝因数的热力学模型，研究了快速凝固条件下的溶质截留行为。首先，采用了LMC定向凝固淬火技术研究成分偏析的方法，研究了Al-1．5Cu-3Zn合金在不同生长速度下的凝固组织和溶质分靠，观察到了胞状界面、枝晶界面等典型组织，分析了淬火界面附近的

5、固相和液相内的溶质面分布和线分布，测量了在胞状界面凝固组织中cu和zn的平衡分凝因数，发现溶质相互作用可以减小Cu的成分偏析。其次，提出了计算多元合金溶质分凝行为的热力学模型，分析了活度法和浓度法计算平衡分凝因数的方法，应用提出的模型系统地研究了A1-Cu—Zn合金的平衡分凝因数。计算表明，活度法和浓度法的计算结果接近，溶质cu和zn的平衡分凝因数在凝固温度范围内随温度增加下降10％左右，Zn和cu任何一种溶质元素的浓度增加都会降低另一种元素的平衡分凝因数，同时研究了杂质元素对三元A1-Cu基铝合金中Cu的平衡分凝因数的影响。最后，在连续生长模型基础上，提出了三

6、元合会溶质截留过程中的驱动自由能和界面温度的计算公式，模拟了A卜Cu—Zn合余单相凝固过程中的溶质截留和界面温度行为。结果表明，在A卜Cu—zn合金两个不同等深面上，界面移动速度增加时，固相线和液相线向同素异型相界曲线靠近；随生长速度的增大，分凝因数急剧增加，在界面速度接近溶质扩散速度时，发生完全溶质截留现象；低速时，A1-Cu-Zn合金的平衡分凝因数可用于冷却速度小于7．1K／s的凝固过程，固相成分一定时，界面温度随生长速度增加而上升，在溶质扩散速度vD处达到极值后界面温度下降，但液相成分一定时，界面温度随生长速度增加而下降。在A1．Cu．Zn合金的微观偏析研

7、究方面，本文分别使用热力学计算相图和实验相图分析了A1．Cu．Zn合余的凝固路径，并和实验数据进行了比较，建立了枝晶凝固过程溶质再分配数值模型，研究了Al—Cu—zn合会凝固时的固相扩散对溶质再分配的影响。II首先，应用相图计算方法、简单Scheil方程和实验比较研究了A1．Cu．Zn合金单相凝固过程的凝固路径和微观偏析。相图计算耦合Scheil模型的计算结果显示，A卜Cu—Zn合会单相凝固结束点与凝固初始点同步变化，溶质含量和溶质分凝因数随凝固过程的进行不断增加。在热力学计算出合金的分凝因数的基础上，简单Scheil方程可以计算初生相含量，从不同溶质得到的计算

8、结果是自洽的，并和相图计