S形通道中金属熔体与固体颗粒流动混合的数值模拟研究

金属基复合材料的性能、应用、成本等在很大程度上取决于材料的制造技术,因此研究和发展有效的制造技术一直是金属基复合材料研究中的最重要的问题之一。本文提出了一种基于S形流道的固体颗粒-金属流体混合方法,并采用欧拉-离散相模型分析计算了该流道内的颗粒-流体混合过程。研究结果表明,S形流道内流体具有周期性变化的流动方向及流速,同时在横截面内存在旋转方向周期性改变的涡流,能够强化颗粒在金属流体中的分散过程。分析了颗粒在S形通道内的均匀度,在第三级出口处的颗粒均匀度达到0.915,表明该方法能够较好的实现固体颗粒在金属液内的均匀分散,进而实现颗粒增强金属基复合材料的制备。     

噪声对均质形核过程影响的晶体相场法研究

采用晶体相场模型,模拟了有色噪声诱发的均质形核过程. 结果表明,噪声强度在一定范围内对系统平衡热力学参量、形核势垒、临界晶核尺寸影响甚微; 而对形核孕育时间影响较大,形核孕育时间随噪声强度的增大呈指数减小趋势. 进一步分析表明,噪声对形核孕育时间的影响主要是由于噪声的引入改变了原子动力学系数.     

Sn-Pb合金颗粒异质成核及其冷却凝固行为预测

采用均匀颗粒成型法 (UniformDropletSpray ,UDS)在氮气氛下 (氧含量为 1.3 6μmol/L)制备了 15 0和 185μmSn 5 %Pb合金颗粒 .采用光学显微镜观测颗粒的外观形貌 ,结果表明 ,UDS方法制备的微粒是粒度均匀的球状颗粒 ;利用非绝热容量法确定了颗粒的形核点及过冷度 ;计算了以时间和温度为函数的颗粒表面被氧化的比例 ,提出了以颗粒表面氧化为催化媒质的异质成核理论模型 ,合理反映了颗粒的异质成核过程 .在此基础上计算了微粒表面异质形核条件下的连续冷却转变 (ContinuousCoolingTransformation ,CCT)曲线 ,同时以线性冷却条件为例预测了颗粒的冷却凝固行为 .     

非晶一次晶化过程微观组织演化和生长动力学的相场法研究

在晶化物理模型中添加扩散系数对晶化过程的影响, 采用相场方法研究初始形核率和初始形核半径对一次晶化过程中微观组织和生长动力学的影响。结果表明: 随着初始形核率的增加, 相同时间内非晶一次晶化的晶粒数量逐渐增加, 晶粒尺寸逐渐减小。晶化分数随着演化时间和初始形核率的增加逐渐增大, 初始形核率越大, 相同演化时间内的晶化分数越高。不同初始形核半径情况下, 非晶一次晶化过程中的晶粒数量和尺寸随着演化时间的增加基本保持不变。晶化分数随着演化时间的增加而增大。不同初始形核率和初始形核半径情况下所对应的生长指数均小于1, 表明初始形核率和初始形核半径对晶化方式无影响, 均为一次晶化。改变初始形核率和初始形核半径可调控一次晶化微观组织结构, 而晶粒尺寸及晶化分数直接关系到合金性能。     

梯度颗粒复合介质的光学双稳

重点研究了组分的梯度构形对带壳球形颗粒复合介质的光学双稳特性的影响.其中球形颗粒是由非线性核和介电函数具有梯度分布的线性壳组成.对于壳层介电函数具有幂指数分布的情况,通过求解麦克斯韦方程,得到各区域的势能分布函数,从而求得核内电场的数学表达式.数值研究发现,该复合介质的光学双稳阈值和区域与壳层的厚度及壳层的介电幂指数有关,随着壳层厚度增大或幂指数增大,双稳阈值将变宽.此外,还研究了正入射情况下复合材料体系的反射系数随外电场的变化情况, 发现其关系曲线是一条回线. 关键词： 梯度颗粒 复合介质 光学双稳     

锰硅化物的固相反应生长研究

报道了利用固相反应方法在单晶Si(100)衬底上制备锰硅化物薄膜.实验发现,样品在固相反应过程中经历了两种相转变,即反应温度为450℃时形成了立方相MnSi,达到550℃时形成了四方相MnSi1.73.随着反应温度的提高,薄膜呈现取向生长.利用四探针法对固相反应过程中化合物薄层方块电阻的原位测量表明,立方相开始形成的温度约为410℃,由立方相向四方相转变的起始温度约为530℃.红外透过谱测量得到了不同结构相的红外吸收特征峰.     

界面润湿性及固相体积分数对颗粒粗化动力学影响的相场法研究

利用多相场模型模拟了液-固两相体系中固相颗粒的粗化过程, 分析了界面润湿性及固相体积分数对粗化指数、粗化速率及颗粒尺寸分布的影响.结果表明, 不同固相体积分数下粗化指数基本不变, 但粗化速率常数及尺寸分布与固相体积分数及界面润湿性密切相关.在完全润湿条件下, 随着固相体积分数的增加, 粗化速率常数逐渐增大; 而非完全润湿条件下, 随着固相体积分数的增加, 粗化速率常数增大速度变缓, 且当润湿性较低、 固相分数较大时, 粗化速率常数还将随体积分数的增加而下降. 此外, 模拟结果表明各种润湿条件下颗粒的尺寸分布均随着固相分数增加而变宽, 分布峰值降低, 但非完全润湿条件下峰值下降变缓.模拟结果为理解不同实验观测结果之间的分歧提供了依据. 关键词： 粗化 相转变 相场法 润湿性     

锰硅化物的固相反应生长研究

报道了利用固相反应方法在单晶Si(100)衬底上制备锰硅化物薄膜.实验发现,样品在固相反应过程中经历了两种相转变,即反应温度为450℃时形成了立方相MnSi,达到550℃时形成了四方相MnSi173.随着反应温度的提高,薄膜呈现取向生长.利用四探针法对固相反应过程中化合物薄层方块电阻的原位测量表明,立方相开始形成的温度约为410℃,由立方相向四方相转变的起始温度约为530℃.红外透过谱测量得到了不同结构相的红外吸收特征峰     

Ti6Al4V合金表面激光沉积复合涂层的组织和性能

为了增强Ti6Al4V钛合金的耐磨性,采用激光沉积制造方法在其表面上制备了以原位生成的TiC颗粒和直接添加的WC颗粒为增强相的耐磨涂层,观察了各涂层的微观组织,并测量了涂层的显微硬度和涂层在室温大气条件下的摩擦磨损性能。结果表明各涂层和基体呈现冶金结合,原位自生的TiC和部分熔化的WC颗粒均能够均匀弥散分布于基体上,由于增强相颗粒的弥散强化及激光沉积组织的细晶强化作用,基材的硬度和耐磨性均得到了提高。原位自生的TiC涂层比WC涂层硬度梯度分布平缓,但耐磨性稍差。     

三维格子涡方法模拟自由下落颗粒群

本文发展了基于双向耦合的三维格子涡方法,采用涡方法模拟流场中的涡量变化及涡元运动,使用双势法求解速度场,采用拉格朗日方法跟踪颗粒相.利用该模型模拟了颗粒群的自由下落及下落过程引起的气相流动,模拟结果与实验吻合良好。结果显示空气相速度径向分布满足高斯分布,颗粒相流量对颗粒群的扩散影响不显著,而流量增大会引起颗粒速度的增大.     

颗粒惯性对标量混合的影响

本文采用直接数值模拟的方法,研究了颗粒惯性对均匀各向同性湍流场中被动标量混合特性的影响.结果表明:与无颗粒算例相比,Tp/Tk<1的小颗粒,增大了标量脉动在高波数上的能量,增强了标量耗散率,标量耗散率最大高出了25%;Tp/Tk>1的大颗粒,在初期显著削弱了标量脉动强度,同时也加快了标量耗散率的衰减,标量脉动强度降低了约15%,标量耗散减少了约5%;而Tp/Tk=1的临界颗粒,对标量场混合的影响较弱,标量脉动强度和标量耗散偏差在5%以内;此外,随着颗粒惯性的增大,标量耗散率的概率密度函数向左平移,但分布特征的改变并不显著.     

三维射流中颗粒与流体的双向耦合作用

采用基于欧拉一拉格朗日的双向耦合模型对三维气固两相平面射流中颗粒与流体的双向耦合作用进行了直接数值模拟.在考虑颗粒相的反作用后,气相运动采用直接耦合求解,计算颗粒场时,选取Stokes数为0.1的较小颗粒,采用Lagrangian方法跟踪其运动.重点考察了颗粒相与流体相之间的相互作用,分析了不同固相载率的颗粒对流场特性以及对自身扩散的影响.模拟结果表明由于颗粒的影响,在射流入口处流场最初生成的两个大涡沿横向被拉伸,而在射流下游区域,涡结构则沿流向被拉伸;在射流的下游,颗粒降低了流场中心区域的流向平均速度,削弱了流场中心区域的湍流强度.此外,跟单向耦合相比,双向耦合情况下的颗粒分布更加均匀,并且均匀程度随固相载率的增加而增大.     

射频感应等离子体制备球形钨粉的工艺研究

 采用射频感应等离子体球化颗粒形状不规则的钨粉（平均粒度尺寸5～12 μm）,研究了加料速率、物料分散方式、钨粉颗粒大小等因素对球化率的影响。当加料速率大于95 g/min时,粉体的球化率随着加料速率的增大急剧减小,加料速率增大到135.75 g/min时,样品钨粉球化率仅为30%。当携带气量为0.12 m3/h 时,分散效果较佳,其球形度相应也较好,球化率几乎达到100%;随着钨粉球化率提高,其松装密度有所增大。通过对不同粒度分布的原粉进行球化处理,得出结论：钨粉原粉粒度分布均匀,则相应制备出的球形钨粉的粒度分布也比较均匀。     

固体单相催化剂CVD法制备成束或分散MWCNT*

CVD法制备纳米碳管的催化剂多是以Al2 O3、SiO2 或MgO作载体 ,Fe、Ni或Co等过渡族金属为活性组分[1- 3] .催化剂与载体之间的关系存在多种形式[1] ,其中固溶体催化剂[4 ,5] 使过渡金属离子能均匀地分布在载体的内部和表面 .在后续反应过程中 ,均匀分布在表面或体内的金属离子被还原成具有催化活性的金属微粒 .此法称为“原位催化分解法 (insituCVD法 )” ,常用于制备直径分布较为均匀的纳米碳管 ,但以往的这些固溶体催化剂在制备纳米碳管的产量上并没有明显的改善 .本工作报道用燃烧法制备的Fe Mo Mg O固溶体 ,不但在用于CVD法生长…     

两相钛合金再结晶退火组织与织构演变的蒙特卡罗模拟

蒙特卡罗(MC)方法被广泛应用于模拟金属材料在退火过程中的静态再结晶行为. 在已有两相材料晶粒长大MC模型基础上, 引入形核阶段, 综合考虑再结晶晶粒吞并形变晶粒和再结晶晶粒竞争长大两种情况, 建立了退火时两相合金再结晶MC模型.结合电子背散射衍射所测 初始晶粒形貌、相成分、晶体学取向及应变储能相对值, 该模型被应用于TC11钛合金退火过程中的微观组织及织构演变模拟.结果表明, 所建模型能够较好体现退火过程中两相晶粒的形核及晶粒长大行为. 与β相相比较, α相具有较低的再结晶速率和较高的晶粒长大速率, 前者主要归结于α相较低的初始应变储能, 后者则体现了该条件下初始组织形貌、分布及两相比例对晶粒长大具有重要影响; 由于非均匀形核的影响, 模拟得到的再结晶速率变化与 假设均匀形核的Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov 再结晶方程存在明显差异.同时, 两相的基本织构特征在退火过程中无明显变化, 但织构强度增加. 关键词： 两相钛合金 再结晶 蒙特卡罗方法 织构     

相场法模拟NiCu合金非等温凝固枝晶生长

利用相场模型与溶质场、温度场进行耦合计算,以Ni-40.83%Cu合金为例模拟了二元合金枝晶生长过程.系统研究相场模型中相场和温度场耦合强度对枝晶形貌和浓度分布的影响.模拟结果表明:随着耦合强度的增加,相场受温度场的影响加大,界面前沿变得不稳,扰动被放大,主枝上出现了二次枝晶.同时,枝晶尖端的生长速率增大,而枝晶尖端的曲率半径减小,枝晶前沿的溶质富集现象也更严重;另外,计算结果与Ivantsov理论符合较好. 关键词： 相场法 NiCu合金 枝晶生长 Ivantsov理论     

石墨烯/铝基复合材料在纳米压痕过程中位错与石墨烯相互作用机制的模拟研究

石墨烯因其优异的力学性能已成为增强金属基复合材料的理想增强体.然而,目前对石墨烯/金属基复合材料在纳米压痕过程中嵌入石墨烯与位错之间的相互作用仍不清晰.本文采用分子动力学模拟方法,对90°,45°和0°位向的石墨烯/铝基复合材料进行了纳米压痕模拟,研究了压痕加载和卸载过程中石墨烯/铝基复合材料的位错形核及演化,以获取不同位向的石墨烯与位错的相互作用机制,并分析其对塑性区的影响.研究发现,石墨烯可以有效阻碍位错运动,并且石墨烯会沿着位错滑移方向发生弹性变形.在纳米压痕过程中,位错与不同位向石墨烯之间的相互作用差异导致塑性区的变化趋势不同.研究结果表明,在石墨烯/铝基复合材料中,位向不同的石墨烯对位错阻碍强度和方式不同,且石墨烯位向为45°的复合材料的硬度高于其他模型.此外,石墨烯/铝基复合材料的位错线总长度的演化规律与石墨烯位向紧密相关.本文研究可为设计和制备高性能石墨烯/金属基复合材料提供一定的理论指导.     

氧化铬薄膜的制备与催化应用

本文利用脉冲雾化热蒸发化学气相沉积法(PSE-CVD)制备了单相氧化铬薄膜,并将其应用于丙烯的催化燃烧。对所得薄膜的物相、表面形态和物理化学性质进行了系统的表征,用原位漫反射红外光谱研究了表面催化过程。结果表明所得薄膜为纯净的单相结构。氧化铬薄膜呈现光滑的圆形颗粒且分散均匀。催化特性测试表明氧化铬薄膜可以在较低温度下完全氧化丙烯。原位漫反射红外光谱显示,催化反应过程由L-H机理控制。     

Fe含量和粒径对Fe/Cu颗粒膜结构和磁性的影响

采用共蒸发法制备不同组分的Fe/Cu颗粒膜,将样品分两组进行退火和不退火处理. 根据测量及分析,确定了不同成分的Fe/Cu颗粒膜的相组成和晶体结构;找出了 Fe/Cu颗粒膜矫顽力与粒径的关系,利用此关系由自发形核理论可知,提高功率,快速蒸镀薄膜,可得到细密颗粒的Fe/Cu颗粒膜,从而降低矫顽力,减少磁滞损耗.     

Ni75Cr25-xAlx合金中L12相和D022相形核孕育期的微观相场模拟

基于微观相场动力学模型,运用原子图像、平均长程序参数和平均成分偏离序参数,研究了Al浓度对Ni75Cr25-xAlx合金中L12相和D022相形核孕育期的影响以及孕育期与沉淀相析出顺序之间的关系.结果表明,L12相和D022相的形核孕育期不仅与Al浓度有关,而且与两相析出的先后顺序密切相关.当Al浓度小于7.5%时,先析出相为D022相,随着Al浓度的增大,D022相形核孕育期延长,后析出的L12相的形核孕育期也延长,L12相的原子簇聚速度加快;当Al浓度大于7.5%时,先析出相为L12相,随着Al浓度的增大,L12相的形核孕育期缩短,后析出的D022相形核孕育期也缩短.当Al浓度为7.5%时,L12相和D022相几乎同时析出,两者的孕育期没有明显的差别.