[发明专利]一种预测定向凝固包晶合金糊状区内雀斑形貌缺陷的方法

说明书

本发明提供一种预测定向凝固包晶合金糊状区内雀斑形貌缺陷的方法，首先获取雷诺数与渗透率K的关系；建立一种较细二次枝晶位于两个较粗二次枝晶之间的模型，并综合TGZM效应和G‑T效应对二次枝晶的影响，获取渗透率K与糊状区内固相体积分数f_S的关系；根据上述各关系，得到雷诺数与固相体积分数f_S的关系，通过雷诺数随固相体积分数f_S变化时的最大值来预测缺陷的形成。本发明在包晶凝固过程中，能够更准确得预测树枝状糊状区中雀斑形貌的形成。

技术领域

本发明涉及合金制备，具体为一种预测定向凝固包晶合金糊状区内雀斑形貌缺陷的方法。

背景技术

在具有一定凝固区间的合金凝固过程中，会形成固液共存的糊状区。业已证明，糊状区中由于存在热对流，经常会形成雀斑形貌等缺陷。雀斑形貌由细小的枝晶碎片链和沿凝固方向的气孔组成，其存在严重影响了凝固材料的性能。在向上定向凝固过程中，假设温度分布稳定，热对流受到抑制，而当被排斥的溶质使熔体密度变轻时，溶质分布就不稳定，从而导致热对流。

为了量化树枝状糊状区中的纵向热对流，业已证明糊状区的雷诺数R_a是预测雀斑形貌形成的有用参数。R_a有几种定义，如果R_a超过临界值，热对流开始，这会导致雀斑形貌的形成。R_a直接受渗透率K的影响，而在常见的树枝状结构中渗透率K与枝晶臂的间距、固体的体积分数(f_S)和枝晶的比表面积有关。因此，应合理地描述树枝状结构对R_a的影响。

在枝晶凝固过程中，由吉布斯-汤姆逊(G-T)效应驱动的枝晶粗化导致了溶质在液体中以不同的半径在相邻的二次枝晶之间扩散，从而导致较细二次枝晶上发生重熔并在较粗二次枝晶上重新凝固。另外，熔体中的溶质扩散也可以由凝固过程中温度梯度所导致的溶质浓度梯度引起，这就是温度梯度区熔效应(TGZM)。在过去的几十年中，已经在Fe-Ni和钢合金等众多重要的包晶合金中观察到了枝晶生长。业已证明，包晶反应会限制枝晶粗化过程并促进TGZM效应。然而，目前对包晶凝固过程中与流体流动有关的树枝状糊状区的演变的分析还远远不够。

如上所述，尽管预测雀斑形貌形成非常重要，其关乎凝固制备的合金材料最终性能表现，但可用于预测雀斑形貌形成的数据相对较少，特别是针对包晶合金，预测的准确度较低。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种预测定向凝固包晶合金糊状区内雀斑形貌缺陷的方法，在包晶凝固过程中，能够更准确得预测树枝状糊状区中雀斑形貌的形成。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种预测定向凝固包晶合金糊状区内雀斑形貌缺陷的方法，获取雷诺数与渗透率K的关系；

建立一种较细二次枝晶位于两个较粗二次枝晶之间的模型，并综合TGZM效应和G-T效应对二次枝晶的影响，获取渗透率K与糊状区内固相体积分数f_S的关系；

根据上述各关系，得到雷诺数与固相体积分数f_S的关系，通过雷诺数随固相体积分数f_S变化时的最大值来预测缺陷的形成。

优选的，雷诺数与渗透率K的关系为：

(Δρ/ρ₀)＝ρ₀-ρ(h)/ρ₀  (2)

其中，(Δρ/ρ₀)是糊状区中的液体密度的倒数，g是重力加速度，α是热扩散率，ν是动力学粘度，ρ₀是在淬火固/液界面上方的熔体密度，ρ(h)是熔体的密度随高度的函数。

进一步的，渗透率K与固相体积分数f_S的关系为：