專利名稱：一種預(yù)測定向凝固一次枝晶間距的計算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種預(yù)測定向凝固一次枝晶間距的計算方法，其特征為確定目標材料的熱物理參數(shù)和定向凝固裝置的傳熱參數(shù)；選定模座的抽拉速率U，并根據(jù)設(shè)備的預(yù)設(shè)加熱區(qū)溫度TH計算溫度梯度GL；帶入下述式2進行計算，得出對應(yīng)的一次枝晶間距預(yù)測值λ1(μm)。
具體為 (1)根據(jù)目標材料不同，查閱資料得出材料的熱物理參數(shù)值液相線斜率m(K/wt％)，溶質(zhì)分配系數(shù)k，溶質(zhì)液相擴散系數(shù)D(μm2/s)，GibbsThomson數(shù)「(Kμm)，液相溫度梯度GL(K/μm)，固相的導熱系數(shù)ks(W/m·K)，固相的熱擴散率αs(m2/s)，試樣半徑r(m)＝0.5d，液-固界面溫度TM(K)，坩堝傳熱系數(shù)αH(W/mK)，金屬與環(huán)境換熱系數(shù)h(W/m2K)和液相導熱系數(shù)λL(W/mK)。
(2)模座的抽拉速率U根據(jù)合金種類及性能要求選擇；然后根據(jù)設(shè)備的預(yù)設(shè)加熱區(qū)溫度TH計算溫度梯度GL (式1) (3)將模座的抽拉速率U、溫度梯度GL、合金成分C0(wt％)等帶入本發(fā)明關(guān)系式進行計算 (式2) 從而得出對應(yīng)的一次枝晶間距預(yù)測值λ1(μm)。

具體實施例方式 實施例 自制的坩堝下拉式高真空定向凝固爐中進行試驗。在坩堝下拉過程中，通過對坩堝進行端部冷卻及對高溫熔體部分進行加熱，從而保證熱量沿坩堝下拉的方向?qū)С?，維持恒定的溫度梯度，以保證定向凝固過程的順利進行。材料選用純度為99.997％的純Al和99.96％的電解Cu，在真空感應(yīng)爐中融化配制Al-4.5wt％Cu二元合金，澆注到內(nèi)壁尺寸為直徑10mm、長度200mm的石墨模殼中，靜置一段時間，使溫度場穩(wěn)定在液相線之上30℃時開始定向凝固過程。
(1)通過查閱資料可知，計算相關(guān)熱物理參數(shù)如表1所示 表1 熱物理參數(shù)表 (2)選定模座的抽拉速率U由于在Al-4.5wt％Cu二元合金的定向凝固生產(chǎn)中，根據(jù)不同性能要求，其抽拉速率通常為100～220μm/s，故在抽拉速率從100～220μm/s的變化范圍內(nèi)，進行一系列定向凝固實驗，從100μm/s開始，抽拉速率每增加20μm/s進行一組實驗。(根據(jù)具體生產(chǎn)的合金種類及性能要求，模座的抽拉速率U會有較大變化。) 根據(jù)設(shè)備的預(yù)設(shè)加熱區(qū)溫度TH＝1173K，計算溫度梯度GL (3)將模座的抽拉速率U＝100～220μm/s、溫度梯度GL＝6.8×10-3μm、合金成分C0＝4.5wt％等帶入本發(fā)明關(guān)系式進行計算 從而得出對應(yīng)的一次枝晶間距值λ1(μm)，見表2。
表2 枝晶間距預(yù)測值表 (4)對于不同抽拉速率下的定向凝固試樣，分別在5、15、25、50、100、150、190mm處取樣，先按晶粒生長方向打磨、拋光、腐蝕，進行顯微觀察，從而確定實驗效果、枝晶的形態(tài)及枝晶一次軸方向；再將試樣沿垂直一次軸的方向剖開，并打磨、拋光、腐蝕。采用JXA-840A型掃描電子探針顯微分析儀和MM6精密臥式金相顯微鏡觀察分析微觀組織，并進行枝晶間距測量，見表3。
表3 枝晶間距實測值表 比較表2和3可發(fā)現(xiàn)，對比預(yù)測值和實測值可知，實測值和理論計算值隨抽拉速率變化的趨勢相同，都是枝晶間距值隨著抽拉速率增大而減小，且減小幅度趨緩?？梢钥闯?，理論計算值與實測值吻合得很好，總體誤差在小于6.5％。
權(quán)利要求
1.一種預(yù)測定向凝固一次枝晶間距的計算方法，其特征為確定目標材料的熱物理參數(shù)和定向凝固裝置的傳熱參數(shù)；選定模座的抽拉速率U，并根據(jù)設(shè)備的預(yù)設(shè)加熱區(qū)溫度TH計算溫度梯度GL；帶入所示的式2進行計算，得出對應(yīng)的一次枝晶間距預(yù)測值λ1，具體為
(1)根據(jù)目標材料不同，確定材料的熱物理參數(shù)值；
(2)選定模座的抽拉速率U；然后根據(jù)設(shè)備的預(yù)設(shè)加熱區(qū)溫度TH計算溫度梯度
式1
(3)將模座的抽拉速率U、溫度梯度GL、合金成分C0帶入式2
式2
計算得出對應(yīng)的一次枝晶間距預(yù)測值λ1。
全文摘要
一種預(yù)測定向凝固一次枝晶間距的計算方法，其特征為確定目標材料的熱物理參數(shù)和定向凝固裝置的傳熱參數(shù)；選定模座的抽拉速率U，并根據(jù)設(shè)備的預(yù)設(shè)加熱區(qū)溫度TH計算溫度梯度GL；帶入本發(fā)明關(guān)系式進行計算，得出對應(yīng)的一次枝晶間距預(yù)測值λ1(μm)。具體為(1)根據(jù)目標材料不同，查閱資料得出材料的熱物理參數(shù)值。(2)選定模座的抽拉速率U；然后根據(jù)設(shè)備的預(yù)設(shè)加熱區(qū)溫度TH計算溫度梯度(見圖(1))。(3)將模座的抽拉速率U、溫度梯度GL、合金成分C0(wt％)等帶入本發(fā)明關(guān)系式(見圖(2))，計算得出對應(yīng)的一次枝晶間距預(yù)測值λ1(μm)。本發(fā)明的方法能夠為預(yù)先選配合適的工藝參數(shù)而獲得目標微觀組織提供參考，進而可以大幅減小實際生產(chǎn)中的工藝實驗工作量，提高生產(chǎn)效率。
文檔編號G01N25/00GK101169386SQ200710190549
公開日2008年4月30日 申請日期2007年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月30日
發(fā)明者強 吳, 司乃潮, 毅 郭, 磊 袁 申請人:江蘇大學