[发明专利]一种计算合金凝固糊状区渗透率的方法

说明书

本发明公开了一种计算合金凝固糊状区渗透率的方法，包括以下步骤：1)先得到实际合金材料的物性参数；2)再基于金兹堡‑朗道理论，建立合金凝固过程多枝晶定向生长过程的相场模型；3)利用建立的多枝晶相场模型模拟得到不同过冷度条件下微观组织演变过程；4)利用分形理论计算模拟得到的不同过冷度条件下微观组织演变过程中的分形维数D；5)根据达西定律，利用得到的不同过冷度条件下微观组织演变过程中的分形维数D计算出渗透率K。本发明方法基于多相场数值模型结合分形理论，有效实现了合金凝固糊状区渗透率预测，避免使用经验公式所引入的偏差，为合金凝固过程中枝晶间液相流动的准确描述奠定了重要基础。

技术领域

本发明属于合金铸造技术领域，具体涉及一种计算合金凝固糊状区渗透率的方法。

背景技术

凝固是金属成形的基础环节，对后续材料加工与产品的组织和性能有重要影响。其中，形核与枝晶生长是凝固过程的源头，决定着铸态组织的形成与演变。由于其涉及复杂的物理过程，发展凝固过程铸态组织的量化研究一直是材料科学的前沿问题。金属材料多是不同组元构成的合金，由于凝固过程溶解度的变化，合金组元在基体中的微观偏析不可避免，这也是导致铸态产品成分不均匀乃至出现组织偏差的原因。溶质元素在固液界面重新分配造成其在晶粒内部和晶界上不均匀分布、进而导致微观偏析和枝晶化生长。

作为合金典型的凝固组织，枝晶是凝固缺陷形成的基础。枝晶网络一方面阻碍外部钢液对枝晶间凝固收缩的补充，另一方面加剧凝固末端对晶间富集溶质的抽吸，因而促进晶间裂纹与中心偏析的形成与发展。因此，枝晶网络渗流特性是耦合宏观传输现象与微观组织演变，揭示晶间裂纹与中心偏析形成机理的关键纽带。

目前，高温合金、钢等合金糊状区渗透率大多采用有色合金的经验公式确定，其直接确定方法还未见报道，鉴于糊状区渗透率在描述合金凝固组织的偏析缺陷等方面的重要作用，亟需找到一种可行的确定方法。

有鉴于此，本发明人提出一种计算合金凝固糊状区渗透率的方法，以解决上述实际问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种计算合金凝固糊状区渗透率的方法，本发明基于多相场数值模型结合分形理论，然后根据Darcy定律，计算出合金凝固糊状区渗透率K，建立其与凝固条件的对应关系，避免了使用有色合金的渗透率经验公式所引入的偏差，为合金凝固过程中枝晶间液相流动的准确描述奠定了重要基础。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

一种计算合金凝固糊状区渗透率的方法，包括以下步骤：

步骤一、先得到实际合金材料的物性参数；

步骤二、再基于金兹堡-朗道理论，建立合金凝固过程多枝晶定向生长过程的相场模型；

步骤三：利用建立的多枝晶相场模型模拟得到不同过冷度条件下微观组织演变过程；

步骤四、利用分形理论计算模拟得到的不同过冷度条件下微观组织演变过程中的分形维数D；

步骤五、根据Darcy定律，利用得到的不同过冷度条件下微观组织演变过程中的分形维数D计算出渗透率K。

进一步地，所述步骤一中合金材料的物性参数包括液相线斜率、分配系数、固相溶质扩散率、液相溶质扩散率、各向异性强度、熔点、界面能以及摩尔体积。

进一步地，所述步骤二中建立相场模型的具体过程为：

引入一个连续变化的序参量---相场变量φ(φ＝1时表示固相，φ＝-1或0时表示液相)，固液两相区φ为0～1之间的值；

包含相场参数φ的相场及浓度控制方程如下：