Al-Cu合金凝固组织三维模拟研究与优化

"该研究采用CA-FE模型对Al-2%Cu合金的凝固微观组织进行了三维模拟和优化，重点关注了铸件尺寸和换热系数对微观组织结构的影响。研究发现，随着铸件直径的增大，柱状晶的比例降低，等轴晶的比例增加。同时，提高换热系数会显著增加柱状晶的组织比例。模拟结果与实验结果相符，为合金凝固过程的控制提供了理论依据。" 本文是一篇工程技术领域的论文，深入探讨了Al-Cu合金在凝固过程中的微观组织形态及其演变规律。研究采用了CA-FE（细胞自动机-有限元）模型，这是一种结合了连续介质力学和离散动力学的数值模拟方法，用于预测不同尺寸铸件的凝固组织。Al-2%Cu合金由于其独特的性能，广泛应用于航空航天、汽车制造等领域，因此对其凝固过程的控制具有重要意义。 在实验中，研究人员观察到，当铸件直径分别从20mm增加到40mm和60mm时，柱状晶（即沿着一个主要方向生长的晶体）的比例从65.2%下降至52.1%和21.4%，而等轴晶（三个主轴方向上生长的晶体）的比例则相应增加。这种现象可以归因于更大的铸件尺寸导致的冷却速率减缓，有利于等轴晶的形成。 此外，研究还发现换热系数的改变对凝固组织有显著影响。当换热系数从500W/(m²K)提高到5000W/(m²K)时，即使在同一铸件中，柱状晶的比例也显著增加。这是因为更高的换热系数加速了表面的冷却速率，促使晶界移动更快，从而促进柱状晶的生长。 为了使模拟更加准确，研究团队还考虑了空位形成能对固相扩散系数的影响。固相扩散是凝固过程中晶体生长的关键因素，空位形成能的优化有助于更真实地模拟合金中的原子迁移行为。 通过这些模拟，研究人员能够预测和控制合金的微观组织，这对于优化材料性能、提高合金的机械性能和耐腐蚀性具有实际应用价值。同时，该研究的成果也为后续的合金设计和工艺改进提供了理论指导，有助于提升Al-Cu合金的制造技术水平。关键词包括Al-Cu合金、三维模拟、固相扩散系数和凝固组织，表明研究的核心集中在理解和优化金属合金的凝固过程。