金属凝固过程

金属凝固过程（精选4篇）

金属凝固过程 篇1

1.引 言

材料成型及控制工程专业是教育部1998年新增的专业,它以材料科学为基础,有机结合铸、锻、焊等加工工艺和计算机应用等相关基础学科。材料成型专业作为综合反映一个国家制造技术水平的专业,是促进机械、冶金、汽车、新材料、电器、电子、航天、航空等国民经济发展离不开领域的支柱专业,其培养的人才是社会未来发展不可估量的力量。随着人类社会发展和科学技术进步, 对材料成型领域产品的精密性、质量、可靠性、经济和环保等要求越来越高。近年来,计算机技术飞速发展, 打破传统材料成型专业单纯依靠反复实验和理论知识解决生产应用过程中的实际问题的僵局, 利用计算机科学中的辅助模拟仿真计算功能俨然成为材料成型研究的第三种重要方法。通过该方法可以在研发过程中对新产品的成型工艺进行仿真模拟、分析计算,避免试制或实际生产过程中出现的问题,为根本上解决产品缺陷问题提供有力依据,从而大大缩短研发周期、降低成本、提高产品质量等,是材料科学研究的前沿领域及热点方向。

面对这种形势和发展趋势,所有高等学校都将《金属凝固过程数值模拟》这门课程作为材料成型专业的一门公共课程。遗憾的是,长久以来本课程一直处于教师“一言堂”或者“灌输式”的教学模式下,使得学生的课程兴趣下降,严重影响教学效果。在国家倡导新一轮课程改革浪潮的背景下,我认为更重要的是培养学生获取知识的自觉性, 提高学生的创新思维和动手能力。针对当前行业发展和社会需求,从多个方面开展研究和探索,争取为《金属凝固过程数值模拟》课程的教改提供可行性方案。

2.《金属凝固过程数值模拟 》课的内容和作用

2.1教学内容和方法

金属凝固过程数值模拟主要是研究金属材料由液态到固态的相变过程,通过建立正确的数学模型,采用恰当的数值计算方法借助计算机解决这些模型, 研究金属在浇注和凝固过程中的热量传递、质量和动量变化等现象,从而得到反映凝固过程规律或具有实践指导意义的结果。具体研究对象是:如果说把液态金属的成型过程称之为一个体系的话, 那么这个体系包括三个部分:铸件、铸型和处在的环境和两个界面:内界面和外界面。上述体系只能称为简单体系或简化体系,实际生产中的体系会更复杂,也就是复杂(精确)体系:在铸件和铸型之间还存在诸如气隙之类的中间层。以各组元之间的热交换规律分析为例:对于简单体系而言,只要分析金属铸件内部、金属与铸型之间、铸型内部、铸型与大气之间的热交换就可以;对于复杂体系而言,还要分析金属与气隙、气隙内部和气隙与铸型间的热交换, 一方面给模拟分析增加了相当大的难度,另一方面分析计算量是成倍增长的,计算机的模拟运算时间会翻倍增加。

通常习惯将金属材料凝固过程模拟分成以下两类:第一,宏观模拟:(1)流动充型场;(2)温度场;(3)浓度场;(4)应力和应变场;(5)宏观缺陷预测。第二,微观模拟:根据上述四个宏观物理场的计算结果,结合相变规律预测微观组织形貌及其形核和长大的动态过程, 进而预测材料性能。其研究方法包括三种:一是编程和计算机运算实现:(1)模拟对象分析;(2)数学建模;(3)时间和空间的离散化;(4)数值计算方法(有限差分法、有限元法、边界元法);(5)线性方程组的求解;(6)图形化后处理。二是借助商业化的通用工具软件实现,如ANSYSYS,有二次开发接口,较简单。主要工作是确定模拟问题的种类和确定单值性条件,重点是CAD建模和网格剖分。三是借助专业化的工具软件实现,如Pro Cast,无二次开发接口,适合工程技术人员进行菜单式操作。

当然,凝固过程是一个非常复杂的过程,除了金属液流动充型动态过程外, 还包括金属与铸型材料的相互作用、铸件的形状特点及金属冷却、凝固时其成分、体积变化等一系列伴生现象。我们利用计算机进行模拟的宗旨是获得高质量的铸件产品。最理想的状态是把上述所有伴随凝固过程而产生实际现象全部纳入一个统一的模型中, 这样模拟出的结果更接近实际,也更准确。遗憾的是目前计算机和科技水平还做不到。

2.2课程作用及解决问题

2.2.1预知金属流动与充型过程

流动充型场模拟可以预测充型过程中的冷隔、浇不足和卷气倾向,对设计最佳的内浇口、排气口和浇注温度、浇注过程具有指导意义。

2.2.2预知铸件的收缩缺陷与补缩

对于金属而言,在凝固过程中会发生体积收缩,并有可能由于得不到及时补充而在最后凝固的部位形成孔洞, 一般称为缩孔。如果孔洞很细小,分散分布,又称疏松。预知铸件的收缩缺陷与补缩最主要的方法是采用温度场模拟,如等温线法、温度梯度法等判定方法。

2.2.3预知凝固过程中的偏析

铸件中化学成分不均匀的现象称为偏析。偏析分为宏观偏析和微观偏析。除了单质外,在一般的凝固和铸造条件下,偏析几乎是不可避免的。对宏观偏析的预测采用温度场、浓度场模拟+相图等手段进行综合分析。

2.2.4预 知铸件裂纹

影响铸件产生裂纹的因素很多,如合金成分、浇注工艺、铸件形状、铸型条件等, 给计算机模拟预知工作带来很多难题。目前,主要是模拟凝固过程中的温度场、凝固后期铸件的应力应变状态及金属液补缩过程进行判断。

2.2.5预知微观组织和机械性能

随着材料科学的发展,铸造成型方法越来越多,工艺越来越复杂。如制备同样成分和形状的合金铸件,采用砂型、金属铸造得到的同样铸件的组织和性能就不一样, 主要是凝固速度不同, 所以预知铸件的微观组织和机械性能通常要综合所有模拟的物理场,而且分析起来更专业、更难。

3.教改思路和方法

由于该课程的理论性和应用性较强,因此应强化学生对教学内容的理解接受性,加强学生实际操作能力的培养。

3.1理 论教学方面

3.1.1教材选择和建设

学生对相关理论知识的掌握是后续应用的基础。目前,广为应用的模拟软件大多是基于有限元理论开发的, 学生必须学会使用有限元法解决工程应用问题。教学时,优选突出有限元求解的基本思想、基本原理、基本步骤、基本方法的教材,这里推荐杨全、张真主编的《金属凝固与铸造过程数值模拟》一书,该教材内容安排合理、浅显易懂。另外,要求教师在讲课过程中适当增加实例讲解,使学生理解有限元求解问题的本质。

3.1.2教学手段现代化和多样化

打破传统教学方式,采取现代化、多样化教学形式,如采用Powerpoint、三维动画和视频播放等方式将讲课内容做成课件,充分发挥多媒体的优势,一方面加深学生对难点、重点的理解和认识,另一方面大大提高学生的学习兴趣,更便于学生课后复习。

3.1.3增加教师和学生的互动

课堂教学时间毕竟是有限的, 再加上每个学生认识理解问题的能力参差不齐,有必要建立一个网络平台,如QQ群、微信群、论坛BBS等,便于师生之间利用课后时间进行交流和补充,不但能增进彼此之间的感情,更能培养学生的自学能力和创新意识。

3.2实 践教学方面

3.2.1软 件学习

受课时的限制,本课程的教学重心不会放在软件教学上,这就要求学生利用课后时间进行。目前凝固模拟软件大多是国外开发的,使用语言也是英文,如Pro-cast、Flow-3D、Solidcast、ansys、UG、Pro E等 , 为了降低学生的学习难度 , 一方面要求教师挑选一种软件在课堂上进行清晰合理的介绍, 另一方面可以利用业余时间组织一个短期软件培训班, 提高学生软件操作和对模拟结果进行分析的能力。同时,有必要鼓励学生参加相关软件的资质考试,使其具备较高的软件使用能力。

3.2.2课程设计

为了检查学生对课程内容的理解和掌握情况, 结合本课程教学安排一至两次课程设计。课程设计内容可以让学生选择感兴趣的零部件生产过程进行模拟分析, 教师负责难度把握和协助指导, 有条件的学校可以将学生分组进行大型产品模拟设计。整个过程中,要求学生尽量独立思考、分析问题和解决问题,明确如何使用所学知识,为以后实践打下坚实的基础。

3.2.3其他实践

为了取得良好的学习效果,积极开展学术交流和实践交流活动。一是聘请国内外高校或企业材料成型领域的教授、工程师做报告, 使教学内容和教学水平紧跟国际先进水平,让学生和教授的综合素质均得到提高;二是精心组织和鼓励学生参加各种比赛,如国家级的“挑战杯”大学生课外科技学术作品竞赛、全国铸造工艺设计大赛,以及学校自己打造的“星光杯”科技文化竞赛等 ; 三是支持学生勇于创新 , 积极申报“大学生科研立项资助项目”,进一步对所学知识进行应用转化。

4.结 语

为了培养出符合时代和社会发展的高素质人才, 必须在学生教育和培养环节上进行创新和改革。学生学习凝固模拟这门课的目的是掌握引言中所述的材料研究中的第三种重要方法,解决实际工程问题。因此,绝对不能纯粹地把模拟软件的操作和分析当做本门课的唯一任务学习。在上文论述中,笔者结合工作经验和教学感悟,提出了对《金属凝固过程数值模拟》这门课教改的一些建议和想法,希望对材料成型专业课教学有一定的帮助。

金属凝固过程 篇2

目前,金属液态和非晶态的短程无序结构及其凝固过程中的微观结构演变信息还很难由实验获得,而计算机技术的快速发展为进一步了解这些信息提供一种重要的手段。为此,人们利用分子动力学方法对液态金属凝固过程进行计算机模拟,并已取得了一些重要的研究成果[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17]。

近年来,采用分子动力学方法已对由500个Cu原子组成的液态金属小系统凝固过程中微观结构组态的瞬变过程进行了模拟研究,并取得许多重要的研究进展[7,8,9,10,11,12,13,14,15]。研究者采用不同模型势从不同的角度对液态金属Cu凝固过程中的微观结构进行研究。例如,Chen F F[7,8,10,11]采用EAM势比较深入地研究了液态金属Cu原子的晶态和非晶态微观结构的形成过程;张弢[12,13]采用FS势研究了液态金属Cu的熔化及晶化过程;Liu C.S.[14]利用TB势研究了冷却速率对液态金属Cu晶态和非晶态微观结构的影响。但由于在模拟计算中采用周期性边界条件,对于由500个原子组成的小系统,处于或接近于边界的原子将达到近300个,约为总原子数的60%,这将严重影响模拟结果的可信度,特别是对于大原子团簇结构的研究,更难得到正确的结果。因此,本实验根据已有的研究[2,5,15],采用Quantum Sutton-Chen多体势和分子动力学方法,对由50000个Cu原子组成的液态大系统的急冷凝固过程进行模拟跟踪研究,并得到了一些新的液态金属Cu凝固过程中微观结构演变规律和相关信息。此时,处于或接近于边界的原子将达到近8000个,约为总原子数的16%,系统边界效应的影响将较500个原子的小系统大为减弱,因而其模拟结果将更接近于实际情况。

1 模拟条件与方法

模拟计算的条件为: 将50000个原子置于一立方体盒中,按周期性边界条件运行,系统的总能量按照Quantum Sutton-chen(Q-SC)多体势[18,19]有:

Utot=undefined

式中:rij是两原子i与j之间的距离,V(rij)是原子i与j之间双体排斥势。

undefined

ρi是与i原子相关的局域能量密度,可表示为:

undefined

这个势的截止距离为22.0a.u(原子单位),运行的时间步长为1.54×10-15s。模拟计算从1773K开始(Cu的熔点为1563K),首先让系统在1773K等温运行50步,使之处于平衡态(根据系统的能量变化程度来判断系统是否处于平衡态)。然后再让系统按1.0×1014K/s的速率冷却173K,其中每隔100K让系统等温运行20步,以测量该系统的结构组态,即每个原子的空间坐标。对该冷却速率下各温度的双体分布函数g(r)、平均原子体积变化和可视化分析方法进行分析,以获得微观结构转变规律和演变信息,并用Honeycutt-Andersen(HA)键型指数法[20]测定各有关原子成键类型和用原子团类型指数法(CTIM)[5,21]以描述所形成的各种类型原子团结构组态。分析并比较这些结果,可以得到一幅清晰的关于系统从液态到非晶态快速凝固过程中微观结构转变的物理图像。

2 模拟计算结果与分析

2.1 双体分布函数(PDF)分析

双体分布函数g(r)与结构衍射实验得到的结构因子S(q)互为Fourier变换,是检验液态和非晶态结构的理论结果与实验结果是否一致的重要手段之一,广泛用于描述液态和非晶态的结构特征。

首先考虑由上述模拟所得到的该系统在1573K时的双体分布函数g(r),发现它与由Waseda[22]所给出的实验结果符合得很好,如图1所示。这表明本研究所用的Q-SC多体势比较成功地反映了系统在微观结构方面的客观物理本质。由此所获得的其它有关微观结构方面的模拟结果也具有较大的可信度和参考价值。

为进一步分析双体分布函数g(r)曲线随温度的变化关系,图2给出了液态金属Cu在冷速为1.0×1014K/s、温度为1073～173K时的双体分布函数(PDF) 随温度的变化关系。从图2中可见,随着温度的降低,第一峰由驼峰逐渐变高、变锐,表明系统内相邻原子成键几率越来越大, 无序度不断下降,有序度逐渐加强。当温度降到673K时,PDF的第二峰开始出现劈裂,这正非晶体金属结构的重要特征之一,且劈裂的2个峰是前高后低。当温度降到373K时,PCF的第二峰劈裂得很明显。表明5万个液态金属Cu原子组成的大系统非晶转变温度在673K附近。

2.2 键型关系分析

利用HA键型指数法可描述系统中原子之间的键型关系,图3为几种常见的HA键型指数。

HA键型指数法用4个数码ijkl来描述某对原子与周围原子的所属状态;i代表所考察的2个原子本身的成键关系,i=1为成键,i=2为未成键;j代表成键的2原子共有最近邻原子数;k表示这些近邻原子之间成键的数目;然而对于某些结构组态,用ijk还不能唯一地确定,因此引入第4个指数l来加以区分。对于典型的液态、非晶态和晶体结构均可以找到它的特征键型作为代表来进行深入研究。例如对于典型的液态和非晶态结构,以1551、1541、1431键型的大量存在为特征;对于面心立方晶体(fcc)以1421键型的大量存在为特征;对体心立方晶体(bcc)以1661和1441键型的大量存在为特征;对六角密堆晶体(hcp)以1422和1421键型的大量存在为特征;对棱面体(rhombohedral)以1201、1301、1311和1321键型的大量存在为特征,它的存在反映了体系的无序性。本模拟所获得各温度下的键型数如表1所示,由表1中数据可分析得到如下结果。

(1)与二十面体结构有关的1551,1541和1532 3种键型相对数在1773K分别占总键型数的15.3%、13.89%和4.7%,其总数达33.89%;当温度降到173K时,总数上升到44.57%。1551和1541键型相对数分别随温度的降低而显著增加,在173K时分别达到19.53%和20.21%。值得注意的是,1551键型在673K时达到最大值,高达30.1%,与1773K时相比,几乎增长1倍,而1532键型在整个冷却过程中几乎保持不变。

(2)与四面体结构相关的1441、1431、1421、1422和1411键型相对数在1773K分别为4.12%、18.49%、8.43%、7.78%和3.06%。它们之和占总键型数的41.88%,而且随温度的降低,其和缓慢增加,到173K时才达45.14%。

(3)表征菱面体结构的1321、1311和1301键型相对数在降温过程中都减少,其总数由1773K的13.22%减为173K时的4.89%。

(4)与六面体和bcc结构有关的1661和1651键型相对数也减少,两者之和在1773K时为6.1%,当温度降到173K时为4.19%。

(5)几乎处于游离态的1201键型所占的总数虽然不大,但随温度降低而明显减少;到673K时,已基本丧失殆尽;1771键型仅有微量的存在于673K以上的液态和过冷态之中,到固态时几乎消失。

(6)在整个凝固过程中,存在于液态和非晶态中的1551、1541和1431 3种键型始终处于主导地位,而1421、1422、1441、1661、1301、1311、1321总是处于劣势,这说明系统最终形成非晶态,即1551、1541和1431 3种键型在非晶形成过程中起着决定性作用。

(7)所有的键型在673～773K之间发生突变,说明系统在该温度范围内发生了相变,由液态转变为非晶态.这进一步说明了在1.0×1014K/s冷却速率下,液态金属Cu的非晶转变温度约为673K。

(8)值得注意的是,表1列的所有键型总数在1773K时约为97.9%,到173K时高达99.84%,此结果表明几乎所有的原子都处于各种强弱不同的有序结构之中(即与相邻原子成键),处于游离态的原子几乎为零。

(9)系统在1773～1573K液态范围内各键型有一个较小范围的变化;但各键型在从1573K降到1473K时有一个突变,1551、1441、1661突然减少,1431、1421、1422、1311突然增加,表明在1573～1473K,系统开始由液态转变为过冷态。在过冷态1373～773K之间,系统处于一个较稳定阶段,各种键型几乎保持不变;但当温度降到673K时,系统的所有键型都发生了显著的变化,这标志着系统在该温度范围内开始凝固,由过冷态转变为非晶固态。由此,也可得出对于采用Q-SC多体势,在1.0×1014K/s速率冷却时系统的非晶转变温度约为673K,由373K降到173K时系统已全部凝固。

2.3 模拟原胞的体积与温度的关系

在常温常压模拟条件下,体系的平均原子体积要发生变化,以维特内压和外界给定压力的平衡。平均原子的体积随温度的变化而变化,当发生液固转变时平均原子的体积会急剧减少。图4为平均原子体积与温度的变化关系。当温度降到673K时,体系的平均原子体积突然减少,这说明体系在此温度下发生相变,由液态凝固为非晶态固体,由此也可判断体系的非晶转变温度约为673K。

2.4 原子团簇结构分析

为更加深入了解和研究液态金属Cu在凝固过程中的微观结构的实际转变机理,只研究其各种键型相对数目的转变是不够的,还必须具体深入到由各种不同键型所组成的各种微观结构的演变中。对于液态和非晶态无序系统,一定种类和数量的键型能形成各种团簇。

为更直观表达结构特性,采用团簇类型指数法(CBTIM)来描述一些重要种类的团簇,即每种类型的团簇都可用4个数码来描述。此方法是在Qi等[21]工作基础上建立起来的,他们成功描述了Frank-kasper(FK)多面体、Bernal多面体和其它缺陷二十面体。这4个数码依次为:第一个整数表示周围原子数目(即与中心原子组成原子团的原子数目);第二、第三、第四个整数分别表示与中心原子组成1441、1551和1661键型的数目。例如,(12 0 12 0)表示一个由13个原子组成(一个中心原子,配位数Z=12),以12个1551键型连结而成的二十面体原子团;(13 1 10 2)表示由14个原子组成(配位数Z=13),以1个1441、10个1551和2个1661键型连结而成的缺陷二十面体。根据CBTIM方法,本模拟结果所得到的与二十面体、缺陷二十面体原子团类型如图5所示,图5(a)以122号原子为中心的二十面体原子团(12 0 12 0),图5(b)以18320号为中心的缺陷二十面体原子团(13 1 10 2)。

根据CBTIM法得到各温度下的原子团类型的统计结果,共有68种类型基本原子团,现只将其中19种主要原子团数目与温度的关系作为分析对象,如图6所示。

从图6中可明显发现,在快速凝固过程中,当温度降到1473K时,各主要基本原子团突然减少,系统开始由液态转变为过冷态;当温度降到673K的过程中,所有各原子团数目急剧增加,达到最大值4318个,当温度继续降低时,各原子团数目又显著减少,表明在673K时系统的微观结构组态在该温度下发生了一个大的转变,产生相变,开始凝固并形成非晶体,即由过冷液态开始形成非晶态。到273K时,原子团总数达到最小值为380个,而由273K降到173K时又明显增加到705个。在整个凝固过程中,原子团总数和各主要原子团随温度的变化规律与表1中的1551、1441、1661随温度的变化规律几乎是完全相同。它们的内在联系是:用CBTIM方法来描述原子团多面体时,仅用1441、1551和1661键型来表示原子团,反映不出其他键型的变化情况。

由图6可知,表示二十面体原子团的(12 0 12 0)和表示缺陷二十面体原子团(13 1 10 2)、(14 2 8 4)、(14 1 10 3)、(12 2 8 2)、(15 2 8 5)的数目在整个冷却过程中远远高于其它各种原子团多面体的数目,表明这些原子团多面体对系统的微观结构转变将起着重要的决定性作用。表示缺陷体心立方原子团的(13 3 6 4)和(14 4 4 6)以 及(14 1 10 3)、(14 3 6 5)基本原子团也占有一定数目,如图6(b)、(c) 和(d)所示。

值得注意的是,图6中虽然原子团数目在其它温度比在673K时少得多,但并不意味着在其它温度的许多原子没有形成原子团而处于自由状态,而是形成到目前为止用CTIM方法还不能描述的其它原子团多面体,这有待于进一步研究。这一点可从表1各键型相对数随温度的变化关系得到反映,随着温度的降低,成键的原子数逐渐增加,173K时有99.84%原子成键。各成键原子彼此又通过一定的方式形成基本原子团,整个系统的各种大小团簇结构正是由这些主要基本原子团的各种不同数目的组合形成的。

2.5 可视化分析

图7(a)为173K时一个由5个基本多面体原子团组成的含有42个原子的纳米级团簇结构。此团簇结构是由5个基本多面体原子团相互连接而成,各个基本多面体原子团的中心原子(见图7(b))在整个团簇中是相互成键连接的,而且互为中心与近邻,有的是单线连接,有的则是相互扭结。单线连接表明,有2个近邻基本原子团的中心原子是互为近邻的,因而比较紧密;相互扭结则表明,有3个及3个以上近邻基本原子团的中心原子互为近邻的,因此相互扭结比单线连接更紧密、稳定。

从图7中还可看见,这个纳米级团簇结构中存在大量的基本原子团之间单线连接,使团簇具有若干个突出的角隅,而具有非晶体结构特征。图7(c)为173K时此纳米级团簇在立方体盒中的位置。对于由500个液态金属Cu原子构成的小系统[15]是很难形成纳米级团簇结构,这是本研究与文献[15]的最大区别。

3 结论

(1)模似所得到的双体分布函数g(r)曲线在液态时与实验结果符合得甚好,即用Q-SC多体势能很好地描述液态金属Cu快速凝固过程的结构变化特性,能成功地反映系统微观结构的客观物理本质。

(2)液态金属Cu以冷速为1.0×1014K冷却时形成非晶结构。通过对双体分布函数、键指数类型、平均原胞体积和原子团簇结构的分析,得出其非晶转变温度为673K左右,而在文献[15]中得到的非晶转变温度为773K。导致此差异是由于本研究由5万个Cu原子构成的大系统其边界效应影响较之由500个原子组成的小系统小得多,因而由5万个液态Cu原子构成的系统更接近实际情况。

(3)表示二十面体的(12 0 12 0)和表示缺陷二十面体原子团的(13 1 10 2)、(14 2 8 4)、(14 1 10 3)、(12 2 8 2)对系统的微观结构转变将起着主导、决定性的作用。

(4)1551、1541和1431 3种键型在微观结构转变过程中起到了重要作用,它们之和始终保持在60%左右。

摘要：采用分子动力学方法和Quantum Sutton-Chen多体势,对液态金属Cu的快速凝固过程进行了计算机模拟跟踪研究。运用Honeycutt-Andersen(HA)键型指数法和原子成团类型指数法(CTIM)分析了金属Cu原子的成键类型和形成的原子团簇结构。研究发现,系统形成以1551、1541和14313种键型为主的非晶态结构;二十面体原子团(120120)和缺陷多面体基本原子团(12282)、(131102)、(13364)、(141103)、(14284)、(14365)在液态转变为非晶体过程中起到了关键性作用;系统所形成的纳米级团簇由一些基本多面体原子团相互连接而成,这正是与由气相沉积法和离子溅射法所获得的团簇结构的本质差别。通过对双体分布函数g(r)、HA键型、基本原子团和平均原子体积的分析,还得到液态金属Cu在冷却速率为1.0×1014K/s时的非晶转变温度Tg约为673K。

金属凝固过程 篇3

关键词：金属微喷,熔体滴落,碰撞铺展,温度变化

0 引言

金属微喷熔体滴落、铺展沉积成形增材制造技术首先由加州大学 (UCI) 和美国麻省理工学院 (MIT) 提出, 是将喷墨打印技术的思路应用到制造领域, 属于一种新型的快速成形技术, 其原理 (如图1所示) 是在坩埚 (Crucible) 中, 利用电阻丝 (Heating furnace) 对金属 (粉末、丝材) 进行加热使其熔化, 形成熔融金属 (Melt metal) , 通过电磁阀 (Solenoid valve) 施加一定的压力使熔融金属从喷头喷射流出, 根据计算机的控制, 使均匀喷射出的金属熔滴在经过加热的基板 (Substrate) 壁面上准确定位, 逐点逐层进行堆积, 成形出复杂的几何形状。为了防止金属氧化, 整个装置处在气体保护 (Nitrogen gas recourse) 中, 为保证熔滴形貌以及成形零件的质量, 在熔滴下落区域加有电磁场 (Electromagnetic field) 。熔体滴落形态变化用附有采集卡 (Acquisition card) 的高速CCD相机进行拍摄记录。该技术与激光、电子束等快速成形技术相比不需要昂贵设备, 具有加工成本低、制件精密等优点, 有广阔的应用前景。但金属微喷熔滴在滴落、铺展过程中的变形情况直接影响零件的成形以及成形精度, 所以对金属熔滴在滴落以及铺展过程中的形态变化进行精确控制是该工艺的关键和难点。然而, 由于影响熔体形态的因素众多, 只有合理选择各参数, 才能获得满足要求的可控熔滴[1]。

国内外研究者对金属熔体滴落、铺展变形流固耦合过程及传热现象开展了大量的研究工作。加州大学Melissa Orme等对均匀金属熔体沉积增材制造技术成形的零件进行力学性能分析, 结果表明在基本不改变制件密度的情况下, 用铝熔滴微喷沉积成形得到的零件比纯铝块的抗拉强度提高30%, 硬度提高100%, 并且其微结构细化显著。Hirt等[2]利用铝合金2024金属熔滴进行微喷沉积, 成形出直径35mm、高11cm的圆柱体, 所用喷嘴直径为150μm, 喷射速度为18000滴/秒, 分析结果表明金属熔体滴落、铺展速度以及温度梯度等参数对所得制件的力学性能和微结构特征均存在一定影响。Pasandideh等[3]通过控制熔体滴落、铺展的高度, 可以实现±12.5μm的熔滴沉积精度, 并提出一种控制金属熔体滴落、铺展类型的方法, 基于动量守恒和线性理论建立了预测熔体滴落类型的模型, 与实验结果实现了较好吻合[4]。施明恒[5]测量了金属熔滴撞击加热基板壁面后表面温度的瞬变特性, 并通过分析液滴的传热机理, 得出导热蒸发、过渡沸腾、膜状沸腾和泡状沸腾4种传热工况下表面的热流计算公式, 并将计算结果与实验结果进行了对比。刘乃玲等[6]建立了球对称的金属熔滴在空气中凝固时的微分方程, 通过求解得到了液滴扩散速率的数学表达式, 建立了熔滴蒸发非稳态阶段的数学模型, 并用迭代方法对该模型进行了数值求解。

1 凝固相变模型

金属熔体滴落和铺展变形过程是一个伴有相变发生的非稳态传热凝固过程, 在凝固结晶过程中释放潜热, 目前有诸多数值计算方法, 如热焓法、温度补偿法以及有效热容法等。在金属熔滴滴落、铺展过程中, 一旦达到这个温度, 在温度继续降低之前熔体开始释放相变潜热。但在多元组分体系中, 相变存在一个温度范围, 从固体开始出现时的温度开始, 一直到最后一种液体凝固时的温度为止。在这种情况下, 熔化潜热在温度改变的同时不断释放[7,8,9,10]。

相变期间固体组分 (Fs) 可以表示为温度的函数:

式中:T为系统温度;Tm为液相线和固相线的温度平均值;ε为液相线和固相线温度差值的1/2。

因此, 固相和液相的温度为:

体系总的热容H由两部分组成:显热h和相变潜热ΔH。显热通过式 (4) 计算:

潜热可表示为温度的函数, 根据之前对固体比例的定义, 有:

导热和对流传热方程用系统温度形式表示为:

速度场和压力场的控制方程, 即N-S方程为:

体积力F包括重力和水平集方法处理的表面张力, 同时F也包括依赖于凝固过程的固体比例源项。

2 几何模型建立

本研究主要讨论从喷嘴喷出后由于表面张力作用形成均匀大小的熔滴, 充分考虑周围空气对熔滴的影响, 确定流体区域为160mm×65mm、固体区域为160mm×30mm的矩形, 金属熔滴与基板的距离为Y, 下降速度为v。由于流体区域中的熔滴和空气都是流体, 它们的网格统一划分, 二者是通过设定不同的流体体积分数进行区分的, 计算区域的相关设置如图2所示。

3 熔滴沉积滴落及铺展数值模拟

本研究以锡铅合金 (Sn60%-Pb40%) 以及Al熔滴为例, 对其滴落并在基板上碰撞、铺展进行数值模拟, 其中该合金的具体参数如表1所示, 基板的参数如表2所示。

3.1 固定坐标点金属Sn60%-Pb40%熔滴滴落、铺展温度变化分析

金属熔体滴落及撞击基板后, 由于熔体的对称性, 其运动形态在固定坐标的相对应时刻温度场分布图取1/2进行分析, 如图3所示。

初始时刻的温度场如图3 (a) 所示, 熔滴温度为486K, 基板温度为450K, 熔滴以2m/s的速度向下运动。熔滴在下降过程中, 熔滴由外层向内部温度逐渐降低, 凝固层加大, 熔滴中心内部温度基本不变 (如图3 (b) 所示) , 撞击基板后的运动状态主要为扩散铺展过程 (如图3 (c) 、 (d) 所示) , 在这个阶段中惯性力和表面张力分别起主要作用。

铺展过程即与基板发生碰撞后, 在惯性力的主要作用下, 熔滴在水平方向沿着半径向外扩散。在t=15μs时刻以前, 金属熔滴沿Y的负方向运动;在t=15μs时刻以后, 液滴的水平半径逐渐增大, 高度逐渐减小, 从中心向边缘温度逐渐降低;当达到t=50μs时熔滴的水平扩散半径达到最大, 由于基板经过加热, 此时底部液滴的温度分布是中心处略高, 边缘处略低。

表3为金属Sn60%-Pb40%熔滴滴落及铺展过程中, 其温度随Y轴坐标变化值。

图4为根据表2绘制的温度场变化曲线, 可以看出, Y=0处即基板的下平面, Y=0.0001 m处即基板的上平面, 在t=0μs时刻, 熔滴中心处在Y=0.0003m处, 其温度为486K, Y=0.0004m和Y=0.0002m分别是熔滴的上、下边界, 其温度为430K, 在熔滴未接触时基板温度为450K, 所以在0~15μs之间基板温度不变, 在15μs时, 熔滴下降开始接触基板, Y=0.0004m处在空气中, 温度骤然降低, Y=0.0003m处在熔滴的外边界处, 温度下降, 但仍在熔点之上, 大概在470K, Y=0.0002m处在熔滴的中心处, 此时熔滴温度大概为480K, Y=0.0001m为基板上表面, 由于熔滴的瞬间传热, 基板上表面温度上升, 大概为460K, 而下表面稍低, 大概为452K。在15μs以后, 熔滴开始在基板上进行铺展变形, 熔滴整体温度下降, 最高温度仍然在熔滴中心处, 越到边界温度越低, 而基板温度逐渐上升, 在50μs以后逐渐达到平衡。

3.2 固定节点金属Al熔滴滴落、铺展温度变化分析

图5为金属Al熔滴滴落及撞击基板后其铺展运动形态在对应各个节点的对应时刻的温度场分布, 其中A点代表熔滴边界, B点表示距边界0.3 mm处, C点表示距边界0.6mm处, D点表示熔体中心处, 由于熔体的对称性, 图中的A、B、C及D四个点分别代表了熔滴的不同层区域。初始时刻温度场如图5 (a) 所示, 由于金属熔体温度为1023K, 刚从喷嘴喷射形成熔滴, 还没有来得及与周围环境对流换热, B、C及D点温度仍为1023K, A点为熔滴边缘, 其温度为1020K。在10ms时, 熔滴以2m/s的速度向下运动, 熔滴在下降过程中, 熔滴由外层向内部温度逐渐降低, 凝固层加大, 熔滴中心内部温度基本不变 (如图5 (b) 所示) , 撞击基板壁面后的运动状态主要为扩散铺展过程 (如图3 (c) 、 (d) 所示) , 在这个阶段中惯性力和表面张力分别起主要作用。铺展过程即与基板发生碰撞发生后, 在惯性力的主要作用下, 熔滴在水平方向沿着半径向外扩散。在t=40 ms时刻以前, 熔滴沿Y的负方向运动;在t=40ms时刻以后, 液滴的水平半径逐渐增大, 高度逐渐减小, 从中心向边缘温度逐渐降低;当达到t=60ms时熔滴的水平扩散半径达到最大, 由于基板经过加热, 此时底部液滴的温度分布是中心处略高, 边缘处略低。

表4为金属Al熔滴滴落及铺展过程中, 其温度在各个节点的变化值。

图6为根据表4绘制的温度场变化曲线, 可以看出, A点为熔滴的边缘节点, 在其滴落和铺展过程中迅速凝固, 温度急剧下降;而D点为熔滴的中心节点, 在滴落和铺展过程中其温度基本不变;B和C点温度也随着熔滴的滴落和铺展逐渐下降, 由于B点靠近熔体的外边缘, 下降幅度大一点, C点靠近熔体的中心, 下降幅度小一点。由此可见熔滴在滴落和铺展过程中, 金属熔滴从外层逐渐向中心凝固, 越靠近外边缘, 熔滴温度梯度越大。

4 结论

通过分析固定坐标点金属Sn60%-Pb40%熔体以及固定节点金属Al熔体滴落、铺展温度变化曲线可以得出:熔体在滴落过程中, 由外层向内部温度逐渐降低, 凝固层加大, 越靠近外边缘, 熔滴温度梯度越大而熔滴中心温度基本不变, 撞击基板后的运动状态主要为扩散铺展过程, 在这个阶段中惯性力和表面张力分别起主要作用, 熔滴在水平方向沿着半径向外扩散, 熔滴的水平扩散半径达到最大时, 由于基板经过加热, 此时底部液滴的温度分布是中心处略高, 边缘处略低。分析结果所获取的温度变化与实际成形中所采用的工艺参数非常吻合。

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金属凝固过程 篇4

关键词：Dieulafoy病,出血,内镜下金属夹治疗,氩离子凝固术治疗

1 资料与方法

1.1 临床资料

2005年3月至2010年8月广东省第二人民医院消化内科共收治72例Dieulafoy病所致上消化道大出血患者,其中男性58例,女性14例;年龄15~82岁,平均52.7岁。均因呕血或解黑便收入消化内科。(1)出血情况:表现为不明原因突然发作间歇性大量呕血61例,解黑便11例,呕血量300~2000m L,其中43例出现失血性休克表现,入院时血红蛋白35~90g/L,平均65g/L。(2)既往病史:有十二指肠球部溃疡5例,胃溃疡2例,毕Ⅱ式胃大部切除术9例。

1.2 诊断

72例患者均于入院后12h内行胃镜检查。病灶位于贲门7例,胃底部19例,胃体上部21例,胃窦部9例,十二指肠球部12例,十二指肠降部1例,吻合口2例,输入袢1例。内镜诊断标准为:(1)有微小黏膜缺损(≤3mm)或正常黏膜中的血管喷射性出血;(2)在微小黏膜缺损或正常黏膜中见突起的血管,伴有或不伴有活动性出血;(3)在微小黏膜缺损或正常黏膜中可见点状血凝块附着[1]。

1.3 治疗方法

(1)术前治疗:患者均禁食,常规予PPI针剂,补液、输血、抗休克等治疗。内镜下治疗随机分为两组,分别接受EHP或APC治疗。EHP组40例,APC组32例。(2)内镜治疗方法:a.EHP放置方法:胃镜插入后,病变部位用冰生理盐水加去甲肾上腺素反复冲洗,以充分暴露出血病灶,以操作器(日本Olympus公司生产钛夹为HX-610-135型,推送器为HX-5LR-1型)经内镜钳道将推送器送至内镜前端,张开钛夹,调整好钛夹与病灶的位置,轻按压病灶两侧,让助手收紧操作杆,关闭并断离钛夹,钳夹病变血管及周围组织,以达到止血目的,夹闭后局部用去甲肾上腺素生理盐水冲洗,无渗血为止血成功。放置钛夹数1~7个/例,平均3个,治疗后禁食1~2d,病变愈合后金属钛夹可自行脱落而随粪便排出。b.APC治疗方法:使用设备为德国Soering公司ARCO2000型氩气

单肺通气时小潮气量对血气和血流动力学的影响

廖亿粦

(广东省梅州市人民医院麻醉一科,广东梅州514031)

【摘要】目的研究单肺通气时小潮气量对血气和血流动力学的影响。方法通过回顾性分析梅州市人民医院接诊的40例胸内科手术患者在实施麻醉后采用的单肺通气方式,分析PIP、动态肺顺应性、气道吸气阻力、呼吸作功WOB和动脉血气(Pa O2、Sa O2、Pa CO2)等参数的变化值。结果采用单肺通气时,PIP和Raw与WOB明显上升,Cdyn值下降明显。Pa O2数值下降幅度大,而在使用小潮气量中Pa CO2的数值有明显上升。在手术结束后数值均恢复正常水平。结论小潮气量对于血气的影响最小,安全性最高。

【关键词】单肺通气;动脉血气;潮气量

中图分类号:R563文献标识码:B文章编号:1671-8194(2011)23-0034-02

Small Tidal Volume of Blood Gas and Hemodynamic Effects when Single-lung Ventilation

LIAO Yi-lin

(Department of AnesthesiologyⅠ,the People's Hospital of Meizhou,Meizhou 514031,China)

[Abstract]Objective Study of the lungs with air when the tide of blood gas and blood of dynamic oceanography.Methods Analysis dealing with the patient's chest physician 40 cases in the implementation of the patients with lung after the anaesthetic of ventilation,PIP,analysis,lung to the dynamic passages in resistance,breathing work WOB and the artery blood gas(Pa O2,Sa O2 Pa CO2),such as the value parameter is change.Results The lungs with air PIP,and Raw and WOB have notably increased,Cdyn down clear values.Drop in value,Pa O2 the use of small amount of moisture Pa CO2 values has been rising.The operation ended the value is returned to normal levels.Conclusions Small amount of moisture in the small,most security highest.

实施胸内手术麻醉时普遍选择的是单肺通气的方式。该通气方式能够阻止患侧肺部的分泌物流入对侧健康肺,还能将患侧肺与健康侧肺区隔开,防止污染健侧肺,保证术野的相对清晰度,对手术操作获

刀,氩气流量2L/min,电场强度5800V/m2,功率设定为40~60W。先进镜观察病灶,用冰生理盐水加去甲肾上腺素反复冲洗病灶,然后经内镜钳道插入氩气离子束凝固导管,导管伸出内镜头端,直至病灶上方约0.3~0.5cm处,与组织角度为30°~60°,以每次1~3s的时间施以氩离子凝固治疗。氩离子凝固术治疗,局部可见组织凝固伴焦痂,凝固组织仅限于黏膜层,肌层未受影响。

2 结果

72例患者内镜治疗后出血立即停止。EHP组1例患者96h后出现再出血,内镜检查发现金属钛夹已脱落;APC组4例患者于24~48h发生再出血,5例患者均用EHP止血成功。早期止血率:EHP组与APC早期止血率均为100%;再出血率:EHP组为2.5%,APC组为12.5%,对比两组之间的差异(P>0.05)无统计学意义。两组均未出现并发症。平均住院天数为5.25d。

3 讨论

Dieulafoy病出血是由于消化道黏膜的浅表损伤致黏膜下异常扩大的恒径动脉自发性血栓形成及破裂所致。本病发病年龄跨度大,但多见于50岁以上者,男性为主;病变部位可发生于消化道任何部位,其出血特点为喷射状或波动性出血,反复大呕血,出血量大、速度快。内镜下机械止血是是治疗Dieulafoy病的标准方法。Yamaguchi等[2]首次前瞻性研究运用内镜下钛夹治疗Dieulafoy病,94.1%患者应用钛夹后立即止血,再出血率9.3%,随访53.8个月(19~90个月),仅1例患者随访中发现新部位Dieulafoy病灶,因此认为无论短期还是长期,内镜下钛夹治疗Dieulafoy病都是安全有效的。

得最大的方便[1]。在采用单肺通气时若潮气量过小就会发生引气道过早关闭,严重的会导致低氧血症的出现;在使用双肺通气(TLV)通气方式,则对于潮气量有可能会引起肺泡过渡膨胀而出现的气压伤。

EHP组早期止血率达100%,唯一再出血者病变位于十二指肠降部,再出血可能与肠道蠕动快、过早进食有关,也可能与胆汁及胰液分泌影响病灶凝血块附着,再次予钛夹止血、减少肠道蠕动、延长禁食时间未再出血。

APC于20世纪90年代开始应用于胃肠道内镜治疗。最大优点是凝固深度的自限性,一般不超过3mm,不会出现穿孔;其次氩离子束可以自动导向需治疗的组织表面,几乎可到病变的每一个角落。APC早期止血率为100%,虽然再出血率为12.5%,但与EHP组两组之间的差异无统计学意义。

本研究显示内镜下放置金属钛夹与氩离子凝固术治疗上消化道Dieulafoy病止血效果和安全性方面无差异,均有较高的临床使用价值。总之,内镜下止血方法很多,其选择主要依赖于有效性及个人的偏爱与擅长;抗休克、迅速补充血容量应放在一切医疗措施的首位;内镜下充分暴露病灶,视野清晰,是成功止血的关键。由于样本量偏少,其结果有待大样本的临床研究证实。

参考文献

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