鎳基合金焊接熔池凝固過程微觀組織模擬.pdf

1、焊接熔池的凝固過程直接決定著晶粒的形態(tài)、偏析程度、夾雜物的分布，影響著氣孔及熱裂紋等缺陷的形成，最終影響著焊縫的力學(xué)性能。然而，目前通過實(shí)驗(yàn)對(duì)焊縫凝固過程進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察還難以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也無法準(zhǔn)確地反映焊接熔池凝固過程中動(dòng)態(tài)、瞬時(shí)等特點(diǎn)，因此通過數(shù)值模擬的方式對(duì)焊縫凝固過程中進(jìn)行研究具有重要意義。
　　本文中考慮了聯(lián)生結(jié)晶、流體流動(dòng)等焊接熔池中的凝固特點(diǎn)，構(gòu)建了元胞自動(dòng)機(jī)-有限差分-有限容積相互耦合的模型，再現(xiàn)了焊接熔池凝固過程的枝晶

2、生長行為，分析了流體流動(dòng)對(duì)枝晶形貌以及柱狀晶一次枝晶間距的影響，并對(duì)熔池中的溶質(zhì)再分配進(jìn)行了深入的研究。
　　首先，本文在枝晶生長動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了枝晶生長速度模型。同時(shí)，為了模擬具有任意主軸角度晶粒生長，本文對(duì)之前學(xué)者所提出的“對(duì)角線模擬角度”法則進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)了在一套網(wǎng)格中進(jìn)行多個(gè)偏角的計(jì)算，提高了計(jì)算效率，從而能夠更好地描述焊接熔池中的聯(lián)生結(jié)晶現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)上，開展了焊接熔池枝晶生長的模擬，再現(xiàn)了焊接熔池凝固過程的枝晶形

3、貌演變。模擬結(jié)果表明，在凝固過程中，枝晶間的競爭生長激烈，主軸取向較好的晶?？梢垣@得持續(xù)的生長，而取向?yàn)槠渌较虻木ЯＷ罱K在競爭中被淘汰，最終形成錯(cuò)綜復(fù)雜的熔池枝晶形貌。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性，說明本文所建立的模型能夠反映熔池凝固過程的特點(diǎn)。
　　為了進(jìn)一步研究焊接熔池中流體流動(dòng)對(duì)枝晶生長的影響，本文構(gòu)建了流場模型，并通過有限體積法對(duì)其進(jìn)行求解。在求解過程中，分別應(yīng)用交錯(cuò)網(wǎng)格技術(shù)和SIMPLER算法解決壓力梯度項(xiàng)離散問

4、題和缺少描述壓力項(xiàng)獨(dú)立方程的問題。在完成流場模型的建立后，將其與枝晶生長模型耦合，用溶質(zhì)傳輸方程替代溶質(zhì)擴(kuò)散方程求解液相中的溶質(zhì)分布。
　　在上述模型基礎(chǔ)上，本文開展了流場作用下焊接熔池中等軸晶和柱狀晶生長的模擬，并與純擴(kuò)散作用時(shí)的情況進(jìn)行對(duì)比，再現(xiàn)了凝固過程中不同時(shí)刻枝晶前沿流體流動(dòng)以及其對(duì)枝晶形貌和溶質(zhì)分布的影響。模擬結(jié)果表明，相對(duì)于純擴(kuò)散作用，流場作用改變了枝晶前沿的溶質(zhì)分布，進(jìn)而改變了成分過冷，使枝晶的形貌發(fā)生了改變。來流

5、方向不同時(shí)，枝晶生長形貌也不相同，但都有迎流側(cè)枝晶生長速度較快，而背流側(cè)生長速度較慢的特點(diǎn)。并且隨著來流速度的增加，枝晶生長的不對(duì)稱性更加明顯。進(jìn)一步研究了流場對(duì)柱狀晶生長一次枝晶間距的影響。結(jié)果表明，流場改變了長勢較弱枝晶尖端的溶質(zhì)分布，使其在生長過程中更早地被淘汰，從而加快了枝晶間距的調(diào)節(jié)過程。
　　焊縫中的微觀偏析可以引起非平衡第二相、氣孔和裂紋等的形成，因此對(duì)其進(jìn)行定量預(yù)測將為預(yù)測焊縫金屬的力學(xué)性能提供依據(jù)。本文通過數(shù)值模

6、擬研究了純擴(kuò)散和對(duì)流兩種作用下柱狀晶生長過程的溶質(zhì)再分配和顯微偏析的特點(diǎn)，并分析了焊接速度和形核密度對(duì)顯微偏析的影響。研究結(jié)果表明，純擴(kuò)散作用下焊接熔池的柱狀晶生長，沿柱狀晶生長方向固相溶質(zhì)濃度逐漸增加，但增加幅度逐漸減小，并最終趨近于一個(gè)穩(wěn)定值；沿垂直于柱狀晶生長方向，枝晶中心處溶質(zhì)濃度較低，而二次枝晶部位溶質(zhì)濃度較高。而對(duì)流作用下焊接熔池的柱狀晶生長，其沿柱狀晶生長方向的溶質(zhì)分配與純擴(kuò)散情況類似；而在垂直于柱狀晶生長方向，其溶質(zhì)偏析

7、程度要大于純擴(kuò)散時(shí)的溶質(zhì)偏析程度；并且背流側(cè)的溶質(zhì)濃度要大于迎流側(cè)的溶質(zhì)濃度。在其他條件不變時(shí)，隨著焊接速度的增加，溶質(zhì)偏析程度更加嚴(yán)重；在其他條件不變時(shí)，隨著形核密度的增加，熔池偏析程度減小。
　　在上述研究所建立的模型基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)焊接熔池枝晶生長模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括流場計(jì)算、溫度場計(jì)算、枝晶生長計(jì)算和結(jié)果后處理四個(gè)模塊，提供了簡單易用的圖形界面，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于不同條件下焊接熔池枝晶生長的模擬，并可以對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析和后處理