基于模拟仿真的Fe-Al-Ta三元合金定向凝固工艺优化方法技术

本发明专利技术为一种基于模拟仿真的Fe

【技术实现步骤摘要】
基于模拟仿真的Fe
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Al
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Ta三元合金定向凝固工艺优化方法


[0001]本专利技术属于材料加工
，特别涉及一种基于模拟仿真的Fe
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Ta三元合金定向凝固工艺优化方法。

技术介绍

[0002]随着现代科技的发展和“智能制造时代”的到来，传统工业制造面临着一系列新兴技术的冲击，其中计算机技术的不断发展，为无数行业注入了新的发展动力。传统工业制造领域有着深厚的底蕴，如果能与潜力十足的计算机技术相结合，必定会涌起一波又一波新的前进浪潮，大大推动人类文明的进步。
[0003]目前，材料对于性能的要求越来越高且在各个领域的需求量也越来越大。在科研工作者的努力下，各种性能优良的复合材料层出不穷，但大多数高性能金属材料都伴随着高昂的生产成本，与可持续的绿色发展理念相差甚远，这对许多高性能金属材料的开发与生产造成了很大的阻力，因此急需在高性能金属材料的开发以及生产环节降低成本。
[0004]已有的研究发现，采用Bridgman定向凝固技术可以制备Fe
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Ta自生复合材料，共晶成分的Fe
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Ta三元合金在不同凝固速率下，具有不同的凝固组织特征：在低凝固速率下凝固的Fe
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Ta三元合金呈现层片状特征，较高速率时为棒状特征，随着凝固速率的进一步增大，则呈现为球状特征等。不同的凝固组织具有不同的性能。过去，研究人员通过设定各种定向凝固工艺参数，对定向凝固组织进行控制，而后进行金相实验以及各项性能测试，从而获得定向凝固工艺参数、组织及性能之间的关系。虽然该方法有着简单明了的结果，但过程却十分冗杂，而且大量的试制也会产生高额的人力物力财力消耗，导致其在使用范围上受到一定的制约。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于模拟仿真的Fe
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Ta三元合金定向凝固工艺优化方法，将计算机模拟仿真方法应用于材料加工制造领域，通过ProCAST软件模拟仿真，Fe
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Ta三元合金的定向凝固过程及其晶粒生长状态，通过设计建模，并调整模拟仿真参数，可以预测在不同定向凝固工艺参数下、不同成分的Fe
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Ta三元合金的凝固组织，从而对Bridgman定向凝固Fa
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Ta三元合金的凝固工艺参数进行优化，获取所期望的凝固组织，从而满足生产需要，大大降低其生产成本，节约资源，大大提高生产效率。本专利技术将传统工业制造与新兴计算机技术结合，能够进一步推动高性能材料制备技术的发展，解决高性能金属材料开发和生产成本高昂的问题。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案具体步骤如下：
[0007]一种基于模拟仿真的Fe
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Ta三元合金定向凝固工艺优化方法，利用ProCAST模拟仿真软件得到实际生产所需的凝固工艺参数，具体步骤如下：
[0008]步骤1：根据所需材料的使用性能判定凝固组织特征。
[0009]判定方法为：材料服役中，要求其高温抗蠕变性能、抗断裂性能以及室温塑性良好
时，则需要具有抗蠕变性能、抗断裂性能以及室温塑性良好特点的层片状凝固组织；要求其塑性、韧性、抗疲劳性能良好时，则需要具有塑性、韧性、抗疲劳性能良好特点的棒状凝固组织；要求其耐磨性良好、强度高时，则需要具有耐磨性能好、高强度特点的球状凝固组织。
[0010]步骤2：根据Bridgman定向凝固过程使用的主要设备确定模型参数，采用UG软件建立有限元模拟仿真模型.
[0011]本专利技术Bridgman定向凝固过程使用的主要设备为具有高的温度梯度的布里奇曼定向凝固炉。模型参数根据实际生产中所使用的主要设备进行确定，有限元模拟仿真模型为，在UG软件中输入实际生产所使用Bridgman定向凝固设备的加热区、冷却区、隔热挡板以及模壳、激冷盘和所生产铸件的实际尺寸进行建模，并保存为ProCAST软件Mesh模块可读写的“.x_t”格式文件。
[0012]步骤3：将所建立的模型导入ProCAST软件Mesh模块进行面网格和体网格划分。
[0013]具体地，本专利技术可将炉内壁划分为二维的面网格，将铸件及模壳划分为三维的体网格。
[0014]步骤4：网格划分完成并检查修正无误后，转入ProCAST软件Cast模块并进行如下操作：
[0015][1]、在Material Database中对铸件材料进行设定：在Material Database部分将材料设定为实际生产对应材料的质量百分比，并通过Material Database计算得到其固、液相线温度以及动力学参数α2和α3。
[0016][2]、在Volume Manager部分对设定好的铸件进行选择，并对模壳所使用材料进行设定：根据实际生产所使用的模壳在Volume Manager部分进行选择。对初始温度进行设定：根据实际生产中Bridgman定向凝固抽拉开始前，铸件液态金属的实际温度进行设定。启用CAFE运算模块：启用ProCAST软件自带CAFE凝固组织模拟模块，以对凝固组织进行模拟仿真。
[0017][3]、在Interface HTC Manager部分对铸件和模壳之间的界面所属类型以及界面换热系数进行设定。其中铸件和模壳之间的界面接触类型包括COINC，NCOINC和EOUIV三种，铸件与模壳之间的界面所属类型的设定为，根据实际生产中的界面接触类型选定为其中一种；铸件与模壳之间换热方式为界面换热，其换热系数的设定为根据换热双方类型选定在300～1000W/m2/K之间。
[0018][4]、在Process Condition Manager部分对抽拉速率、形核参数以及炉体换热参数进行设定。其中抽拉速率的设定为，用铸件、模壳和激冷盘在炉体中的运动过程来模拟抽拉过程，根据实际生产中的抽拉速率的大小对其运动速率进行设定；形核参数的定义为形核区域、形核面、面形核参数以及体形核参数的设定；炉体换热参数的设定为，根据其换热方式对辐射率ε和对流换热系数h进行设定。
[0019][5]、检查并修正无误后在Start Simulation部分进行模拟仿真运算；
[0020]步骤5：运算开始后，转入ProCAST软件Viewer模块分析模拟仿真运算结果，得到实际凝固工艺参数下的预测凝固组织特征；
[0021]步骤6：验证所预测的凝固组织特征是否满足步骤1判定的凝固组织特征，如满足，则得到实际生产所需的凝固工艺参数，如不满足则重复步骤1～5调整参数模拟仿真，直至满足。
[0022]本专利技术所述Fe
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Ta三元合金是由纯度为≥99.95％本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于模拟仿真的Fe
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Ta三元合金定向凝固工艺优化方法，其特征在于，利用ProCAST模拟仿真软件得到实际生产所需的凝固工艺参数，具体步骤如下：步骤1：根据所需材料的使用性能判定凝固组织特征；步骤2：根据Bridgman定向凝固过程使用的主要设备确定模型参数，采用UG软件建立有限元模拟仿真模型；步骤3：将所建立的模型导入ProCAST软件Mesh模块进行面网格和体网格划分；步骤4：网格划分完成并检查修正无误后，转入ProCAST软件Cast模块并进行如下操作：[1]、在Material Database中对铸件材料进行设定；[2]、在Volume Manager部分对设定好的铸件进行选择，并对模壳所使用材料以及初始温度进行设定，启用CAFE运算模块；[3]、在Interface HTC Manager部分对铸件和模壳之间的界面所属类型以及界面换热系数进行设定；[4]、在Process Condition Manager部分对抽拉速率、形核参数以及炉体换热参数进行设定；[5]、检查并修正无误后在Start Simulation部分进行模拟仿真运算；步骤5：运算开始后，转入ProCAST软件Viewer模块分析模拟仿真运算结果，得到实际凝固工艺参数下的预测凝固组织特征；步骤6：验证所预测的凝固组织特征是否满足步骤1判定的凝固组织特征，如满足，则得到实际生产所需的凝固工艺参数，如不满足则重复步骤1～5调整参数模拟仿真，直至满足。2.根据权利要求1所述基于模拟仿真的Fe
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Ta三元合金定向凝固工艺优化方法，其特征在于，所述Fe
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Ta三元合金是由纯度为≥99.95％的纯Fe、纯度为≥99.95％的纯Al以及纯度为≥99.95％的纯Ta配制而成的三元合金。3.根据权利要求1所述基于模拟仿真的Fe
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Ta三元合金定向凝固工艺优化方法，其特征在于，所述Fe
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Ta三元合金是在具备高纯Ar气氛的真空感应熔炼炉中，1600℃高温下熔炼制备的三元合金铸锭。4.根据权利要求1所述基于模拟仿真的Fe
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Ta三元合金定向凝固工艺优化方法，其特征在于，步骤1中所述根据所需材料的使用性能判定凝固组织特征的判定方法为：材料服役中，要求其高温抗蠕变性能、抗断裂性能以及室温塑性良好时，则需要具有抗蠕变性能、抗断裂性能以及室温塑性良好特点的层片状凝固组织；要求其塑性、韧性、抗疲劳性能良好时，则需要具有塑性、韧性、抗疲劳性能良好特点的棒状凝固组织；要求其耐磨性良好、强度高时，则需...

【专利技术属性】
技术研发人员：张凯，邓力，崔春娟，王妍，武重洋，刘薇，赵亚男，刘跃，
申请(专利权)人：西安建筑科技大学，
类型：发明
国别省市：