·1012 工程科学学报，第37卷，第8期 .71G 85610 8.35x10 89x10 25x10 8.9x10 802x1D 1 67x10 8410 67x10 1610 53国1 5.8×10 SKG10 65610 4761 5.160 436x10 6.01×1D 167x10 460 33320 310 150x1 272x10 4.4810 410 3.21x0 23方x10 637x10 51x0 105x 410 7.6x0 52h0 626g10 8xtD 25x10 4.43x10 10 34x0 2s10 a b (c) d 图5不同时刻下等轴品的体积分数.(a)238s:(b)416s:(c)589s:(d)653s Fig.5 Volume fraction of equiaxed grains at different time:(a)238s:(b)416s:(c)589s:(d)653s 没有液体流动，故图3（℃）和(d)的底部和侧壁没有对 大，即柱状晶向等轴晶转化过程（图5(d)). 流，只在固液相界面存在较强的对流，同时该区域的晶 热溶质对流和晶粒运动引起的多重流动是宏观偏 粒下降在底部沉积（图5(c)和(d)),形成负偏析区 析形成的主要原因.如图3所示，两股对称的对流漩 (图6(c)和(d)).由于等轴晶粒沉降引发了熔体对 涡在铸件中心汇聚，将溶质带至铸锭中心上部，形成顶 流，并在铸锭中心上升，形成两边对称的漩涡.这些对 部正偏析（图6(b)和(c)所示B区）.对流到达顶部 流影响了等轴晶粒的分布，并在底部积聚较多 时向两边分流，铸锭顶部两边溶质富集形成正偏析 (图5(c)和(d)),同时柱状晶向内生长，当柱状晶尖 (图6(c)所示).从图6(d)中A区可以看出底部有较 端前沿等轴晶的体积分数达到临界值∫>时，柱 大的一片锥形负偏析区，这是由于溶质含量低的晶粒 状晶受到等轴晶的阻碍而停止生长，所以铸件中心分 在此沉降最多，而且从固相排出的溶质随对流运动至 布的主要是等轴晶，这些晶粒在随后的凝固中不断长 其他区域，到这该区域的溶质减少形成负偏析 01×10 G 60 7x1 01 0310 图6不同时刻下的宏观偏析分布（质量分数）.(a)238s:(b)416s:(c)589s:(d)653s Fig.6 Macrosegregation distribution at different time:(a)238s:(b)416s:(c)589s:(d)653s 通过以上分析发现，宏观偏析分布C中负偏析 图8表示不同时刻的实验图像与模拟结果对比 的分布与等轴晶的分布很接近，这也说明偏析与溶质 如图8(a)所示，在凝固初始阶段(t=322s),型壁表面 对流和晶粒运动之间的密切关系. 迅速形成极薄的细晶区，肉眼几乎看不到，然后由于型 壁附近液相温度较低，过冷度较大，温度梯度较大，该 3 计算结果与实验结果的对比和讨论 区域主要以柱状晶方式向中心生长，此时的液相区内 为了验证模拟结果的准确性，采用NH,C一 游离晶很少，还不足以引起柱状晶向等轴晶转变 70%H,0进行了凝固实验.一方面，该溶液凝固特性与 随着凝固进行(【=368s),侧壁形成较宽的两相 钢、铝、铜等合金相似：另一方面NH,C1-70%H,0凝固 区，较多的等轴晶粒从两相区游离至液相区，从：= 液相透明，便于观察 322s和368s的等轴晶体积分数转变趋势可以看出，游 NH,C-70%H,0浇注实验的铸型示意图及装置 离晶粒在对流作用下在柱状晶前沿下落，并在底部大 实物图如图7所示.由于模拟的铸锭尺寸为60mm× 量积聚，当中心区域等轴晶的体积分数达到一临界值 80mm,故浇注到铸型高度一半时即停止浇注. (=0.49)时，柱状晶停止生长，即完成柱状晶向工程科学学报，第 37 卷，第 8 期 图 5 不同时刻下等轴晶的体积分数． ( a) 238 s; ( b) 416 s; ( c) 589 s; ( d) 653 s Fig． 5 Volume fraction of equiaxed grains at different time: ( a) 238 s; ( b) 416 s; ( c) 589 s; ( d) 653 s 没有液体流动，故图 3( c) 和( d) 的底部和侧壁没有对 流，只在固液相界面存在较强的对流，同时该区域的晶 粒下降在底部沉积( 图 5 ( c) 和( d) ) ，形成负偏析区 ( 图 6( c) 和( d) ) ． 由于等轴晶粒沉降引发了熔体对 流，并在铸锭中心上升，形成两边对称的漩涡． 这些对 流影响了等轴晶粒的分布，并 在 底 部 积 聚 较 多 ( 图 5( c) 和( d) ) ，同时柱状晶向内生长，当柱状晶尖 端前沿等轴晶的体积分数达到临界值 fe ＞ f critical e 时，柱 状晶受到等轴晶的阻碍而停止生长，所以铸件中心分 布的主要是等轴晶，这些晶粒在随后的凝固中不断长 大，即柱状晶向等轴晶转化过程( 图 5( d) ) ． 热溶质对流和晶粒运动引起的多重流动是宏观偏 析形成的主要原因． 如图 3 所示，两股对称的对流漩 涡在铸件中心汇聚，将溶质带至铸锭中心上部，形成顶 部正偏析( 图 6( b) 和( c) 所示 B 区) ． 对流到达顶部 时向两边分流，铸锭顶部两边溶质富集形成正偏析 ( 图 6( c) 所示) ． 从图 6( d) 中 A 区可以看出底部有较 大的一片锥形负偏析区，这是由于溶质含量低的晶粒 在此沉降最多，而且从固相排出的溶质随对流运动至 其他区域，到这该区域的溶质减少形成负偏析． 图 6 不同时刻下的宏观偏析分布( 质量分数) ． ( a) 238 s; ( b) 416 s; ( c) 589 s; ( d) 653 s Fig． 6 Macro-segregation distribution at different time: ( a) 238 s; ( b) 416 s; ( c) 589 s; ( d) 653 s 通过以上分析发现，宏观偏析分布 Cmix中负偏析 的分布与等轴晶的分布很接近，这也说明偏析与溶质 对流和晶粒运动之间的密切关系． 3 计算结果与实验结果的对比和讨论 为 了 验 证 模 拟 结 果 的 准 确 性，采 用 NH4Cl-- 70% H2O进行了凝固实验． 一方面，该溶液凝固特性与 钢、铝、铜等合金相似; 另一方面 NH4Cl--70% H2O 凝固 液相透明，便于观察． NH4Cl--70% H2O 浇注实验的铸型示意图及装置 实物图如图 7 所示． 由于模拟的铸锭尺寸为60 mm × 80 mm，故浇注到铸型高度一半时即停止浇注． 图 8 表示不同时刻的实验图像与模拟结果对比． 如图 8( a) 所示，在凝固初始阶段( t = 322 s) ，型壁表面 迅速形成极薄的细晶区，肉眼几乎看不到，然后由于型 壁附近液相温度较低，过冷度较大，温度梯度较大，该 区域主要以柱状晶方式向中心生长，此时的液相区内 游离晶很少，还不足以引起柱状晶向等轴晶转变． 随着凝固进行( t = 368 s) ，侧壁形成较宽的两相 区，较多的等轴晶粒从两相区游离至液相区，从t = 322 s和 368 s 的等轴晶体积分数转变趋势可以看出，游 离晶粒在对流作用下在柱状晶前沿下落，并在底部大 量积聚，当中心区域等轴晶的体积分数达到一临界值 ( f critical e = 0. 49) 时，柱状晶停止生长，即完成柱状晶向 · 2101 ·