学科专业：材料加工工程

论文题目：大型铝合金半连铸铸锭的宏观偏析与应力场数值模拟

答辩人：罗海军

指导教师：介万奇 教授

答辩时间：2018年9月15日下午3:00

答辩地点：友谊校区材料科技大楼503会议室

一、学位论文简介

半连续铸造作为高强度铝合金铸锭生产的主要工艺，其凝固过程的控制是获得高质量铸锭的关键，而高质量的铸锭是后续加工工艺的基础。宏观偏析、裂纹与缩松是铸锭在半连铸生产过程中产生的主要缺陷。通过低成本、高效率的数值模拟技术研究铝合金铸锭的宏观偏析与应力形成机制及其影响因素，对控制铸锭缺陷有着重要的理论指导和工程实践意义。

本文通过对宏观偏析连续介质模型的拓展，采用基于有限体积法的大型流体力学计算软件FLUENT对其进行数值求解，通过与H-H实验基准算例和Bellet数值基准算例的比较，验证了数值计算方法的准确性。利用该模型预测了直径为400 mm的2024铝合金半连铸铸锭的宏观偏析，计算结果表明，铸锭表面和二分之一半径处为正偏析，铸锭中心和铸锭次表面处为负偏析；铸锭尺寸、铸造速度、浇注温度和二冷区冷却强度是影响铸锭宏观偏析的四个主要因素。基于三相模型对Al-4wt%Cu半连铸铸锭宏观偏析的计算结果表明，等轴晶的沉积导致了铸锭底部明显的锥形负偏析区，铸锭径向偏析形态表现为W型。基于热弹塑性模型的应力场数值模拟表明，拉坯速度是铸锭热应力的最大影响因素。本文获得的主要创新成果如下：

(1) 首次采用包含浮游枝晶运动的连续介质模型计算了2024铝合金半连铸过程中的宏观偏析。获得的Cu元素和Mg元素的偏析具有相似的分布形态。预测结果与文献实验测量结果基本一致。计算结果表明铸造速度是影响宏观偏析的最主要因素，而浇注温度对宏观偏析的影响较小。

(2) 采用三相模型模拟了半连铸过程Al-4wt%Cu铸锭的宏观偏析。计算结果表明，铸锭底部出现了明显的锥形负偏析区（CET转变区域），铸锭中心正偏析带，毗邻中心的负偏析区，以及铸锭1/2半径处正偏析带，径向总的偏析形态表现为W型，与文献实测结果一致。

(3) 采用MAGMA Soft计算了7050合金半连铸过程中铸锭温度场和应力场。计算结果表明，铸锭的最大温度梯度集中于结晶器与二冷区的交界处。拉应力分布于铸锭中心和结晶器与二冷区的交界处，而压应力分布于铸锭表面。热裂最容易产生于拉应力较大的心部和交界处。拉坯速度对液穴深度、温度梯度和应力的影响最大。

二、攻读博士学位期间以第一作者发表的与学位论文相关的学术论文

[1] Hai-jun LUO, Wan-qi JIE, Zhi-ming GAO, Yong-jian ZHENG. Numerical simulation for macrosegregation in direct-chill casting of 2024 aluminum alloy with an extended continuum mixture model. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2018, 28(5):1007-1015. (SCI, WOS: 000434388300021)

[2] Luo Haijun, Jie Wanqi, Gao Zhiming, Zheng Yongjian. Effects of casting parameters on macrosegregation in 2024 alloy during direct-chill casting based on numerical simulation. Rare Metal Materials and Engineering, 2018. (SCI, 录用).

[3] 罗海军, 介万奇, 郑永健, 吴孟怀, 高志明. 基于三相模型的Al-4%Cu合金三维半连铸圆锭的宏观偏析数值模拟. 稀有金属材料与工程, 2018. (SCI，录用)

[4] 罗海军, 介万奇, 高志明, 郑永健, 刘永勤, 宋文涛. 高强韧铝合金半连铸铸锭温度场与应力场数值模拟. 铸造技术, 2014, 35(11): 2455-2460. (中文核心)

[5] 罗海军, 介万奇. 反重力铸造的充型过程研究.铸造技术, 2017, 38(09):  2188-2192. (中文核心)