一种枝晶通道渗透率的确定方法与流程

本发明属于金属合金铸造，具体涉及一种枝晶通道渗透率的确定方法。

背景技术：

1、金属合金在凝固过程中，从完全液相到完全固相的转变并不是瞬时完成的，而是存在一个固液共存的两相区，即糊状区。糊状区由枝晶状的固相和富集溶质的液相共同构成并逐渐完成液固转变。凝固过程中，为了避免冷却收缩形成微孔，金属合金在糊状区凝固时的收缩必须通过液态金属在枝晶间通道的流动来补偿。与此同时，金属合金的宏观偏析(大范围内的成分分布不均，其尺寸可从几毫米、厘米甚至米之间变化)也形成于糊状区，在大多数情况下，它是由收缩、几何形状、固相变形或重力所驱动的枝晶间富集溶质液相的流动造成的。对于典型的枝晶结构，可以将枝晶区作为多孔介质处理且darcy定律可用于估算液相在枝晶间的流动情况。而使用darcy定律需知道枝晶间流动通道的渗透率，即富集溶质液相在枝晶间的流动可用渗透率表示。因此，通过对金属实际凝固过程渗透率的计算有助于理解枝晶间液相流动情况，从而为偏析缺陷的精细化控制提供指导。

2、研究人员主要运用实验直接测量和数值分析这两种常规研究方法估算枝晶间通道的渗透率。但实验方法测量渗透率需要耗费大量的时间并且成本较高，同时对于高熔点金属或合金实验测量渗透率存在困难。而另一方面，由于凝固过程枝晶形貌的复杂变化，数值分析法又难以对实际合金的渗透率进行准确评估。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种枝晶通道渗透率的确定方法，本发明提供了一种基于金属实际铸态组织特征确定枝晶通道渗透率的新方法，弥补了实验直接测量和数值分析等计算枝晶通道渗透率方法的不足。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明提供了一种枝晶通道渗透率的确定方法，包括以下步骤：

4、对合金试样的表面进行枝晶腐蚀，获得处理试样；所述处理试样具有枝晶界面轮廓的低倍组织；所述低倍组织为柱状晶区低倍组织、柱状晶向等轴晶转变区低倍组织或等轴晶区低倍组织；

5、获取所述处理试样的低倍组织图像；

6、采用图像处理软件对获取的低倍组织图像进行分析；

7、当所述低倍组织为柱状晶区低倍组织时，所述分析包括：测量低倍组织图像内的一次枝晶臂间距、偏析面积和总面积；由所述偏析面积和总面积计算偏析面积比；

8、当所述低倍组织为柱状晶向等轴晶转变区低倍组织或等轴晶区低倍组织时，所述分析包括：测量低倍组织图像内的一次枝晶臂间距、二次枝晶臂间距、偏析面积和总面积；由所述偏析面积和总面积计算偏析面积比；

9、按照数盒子法获得低倍组织图像中枝晶轮廓的分形维数；

10、当所述低倍组织为柱状晶区低倍组织时，根据所述偏析面积比、所述一次枝晶臂间距和所述枝晶轮廓的分形维数获得柱状晶区枝晶通道的渗透率；

11、当所述低倍组织为柱状晶向等轴晶转变区低倍组织或等轴晶区低倍组织时，根据所述偏析面积比、所述一次枝晶臂间距、所述二次枝晶臂间距和所述枝晶轮廓的分形维数获得柱状晶向等轴晶转变区域或等轴晶区枝晶通道的渗透率。

12、优选的，所述柱状晶区枝晶通道的渗透率的获得公式如式1所示：

13、

14、式1中：kc为柱状晶区枝晶通道的渗透率，m2；rseg为偏析面积比；λ1为一次枝晶臂间距，m；d为枝晶轮廓的分形维数。

15、优选的，所述柱状晶向等轴晶转变区域或等轴晶区枝晶通道的渗透率的获得公式如式2所示：

16、

17、式1中：ke为柱状晶向等轴晶转变区域或等轴晶区枝晶通道的渗透率，m2；rseg为偏析面积比；λ1为一次枝晶臂间距，m；λ2为二次枝晶臂间距，m；d为枝晶轮廓的分形维数。

18、优选的，所述枝晶腐蚀采用金属低倍腐蚀方法进行。

19、优选的，所述枝晶腐蚀直接得到初始处理试样；还包括将所述初始处理试样进行表面打磨，得到所述处理试样。

20、优选的，所述打磨为：采用金相砂纸对初始处理试样的腐蚀后的表面进行打磨，直至露出枝晶结构；所述金相砂纸的目数为800目。

21、优选的，所述获取为：采用二维影像仪获取。

22、优选的，所述低倍组织图像为用肉眼或≤10倍的显微镜能观察到的组织图像。

23、优选的，所述枝晶轮廓的分形维数的获得方法为：采用计算机软件提取所述低倍组织图像中的枝晶轮廓；根据数盒子法计算所述枝晶轮廓的分形维数；所述计算机软件为matlab。

24、优选的，所述图像处理软件为image-proplus。

25、本发明提供了一种枝晶通道渗透率的确定方法，包括以下步骤：对合金试样的表面进行枝晶腐蚀，获得处理试样；所述处理试样具有枝晶界面轮廓的低倍组织；所述低倍组织为柱状晶区低倍组织、柱状晶向等轴晶转变区低倍组织或等轴晶区低倍组织；获取所述处理试样的低倍组织图像；采用图像处理软件对获取的低倍组织图像进行分析；当所述低倍组织为柱状晶区低倍组织时，所述分析包括：测量低倍组织图像内的一次枝晶臂间距、偏析面积和总面积；由所述偏析面积和总面积计算偏析面积比；当所述低倍组织为柱状晶向等轴晶转变区低倍组织或等轴晶区低倍组织时，所述分析包括：测量低倍组织图像内的一次枝晶臂间距、二次枝晶臂间距、偏析面积和总面积；由所述偏析面积和总面积计算偏析面积比；按照数盒子法获得低倍组织图像中枝晶轮廓的分形维数；当所述低倍组织为柱状晶区低倍组织时，根据所述偏析面积比、所述一次枝晶臂间距和所述枝晶轮廓的分形维数获得柱状晶区枝晶通道的渗透率；当所述低倍组织为柱状晶向等轴晶转变区低倍组织或等轴晶区低倍组织时，根据所述偏析面积比、所述一次枝晶臂间距、所述二次枝晶臂间距和所述枝晶轮廓的分形维数获得柱状晶向等轴晶转变区域或等轴晶区枝晶通道的渗透率。本发明以实际金属试样低倍组织中的偏析面积比rseg(偏析区域面积占分析区域总面积的比值)作为糊状区的液相分数；同时，本发明用分形维数定量表征枝晶轮廓形貌的复杂性，从而，本发明以偏析面积比和分形维数代替常规计算渗透率公式中的液相体积分数和弯曲系数实现了枝晶渗透率的计算。本发明提供的方法可计算实际金属合金凝固过程枝晶通道的渗透率，且分析区域及范围选取灵活、实现不同类型枝晶，包括柱状晶、柱状晶向等轴晶转变区域(cet)及等轴晶的区域枝晶渗透率。

26、本发明通过枝晶通道渗透率的计算可定量预测枝晶间液相的流动阻力。枝晶的渗透率越大，表明枝晶间液相的流动阻力越小；反之则越大。

技术特征：

1.一种枝晶通道渗透率的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种枝晶通道渗透率的确定方法，其特征在于，所述柱状晶区枝晶通道的渗透率的获得公式如式1所示：

3.根据权利要求1所述的一种枝晶通道渗透率的确定方法，其特征在于，所述柱状晶向等轴晶转变区域或等轴晶区枝晶通道的渗透率的获得公式如式2所示：

4.根据权利要求1所述的一种枝晶通道渗透率的确定方法，其特征在于，所述枝晶腐蚀采用金属低倍腐蚀方法进行。

5.根据权利要求1所述的一种枝晶通道渗透率的确定方法，其特征在于，所述枝晶腐蚀直接得到初始处理试样；还包括将所述初始处理试样进行表面打磨，得到所述处理试样。

6.根据权利要求5所述的一种枝晶通道渗透率的确定方法，其特征在于，所述打磨为：采用金相砂纸对初始处理试样的腐蚀后的表面进行打磨，直至露出枝晶结构；所述金相砂纸的目数为800目。

7.根据权利要求1所述的一种枝晶通道渗透率的确定方法，其特征在于，所获取为：采用二维影像仪获取。

8.根据权利要求1或7所述的一种枝晶通道渗透率的确定方法，其特征在于，所述低倍组织图像为用肉眼或≤10倍的显微镜能观察到的组织图像。

9.根据权利要求1所述的一种枝晶通道渗透率的确定方法，其特征在于，所述枝晶轮廓的分形维数的获得方法为：采用计算机软件提取所述低倍组织图像中的枝晶轮廓；根据数盒子法计算所述枝晶轮廓的分形维数；所述计算机软件为matlab。

10.根据权利要求1所述的一种枝晶通道渗透率的确定方法，其特征在于，所述图像处理软件为image-pro plus。

技术总结
本发明属于金属合金铸造技术领域，具体涉及一种枝晶通道渗透率的确定方法。本发明包括步骤：对合金表面进行腐蚀，进行打磨处理以获得具有清晰枝晶界面轮廓的低倍组织图像，并利用二维影像仪获取金属的高清低倍组织图像；通过图像处理软件测量一次、二次枝晶臂间距和偏析面积比，同时通过图像处理软件提取枝晶轮廓，并依据数盒子法计算枝晶轮廓形貌的分形维数；计算得到柱状晶区、柱状晶向等轴晶转变区域(CET)和等轴晶区枝晶通道的渗透率。枝晶通道的渗透率可定量预测金属凝固过程中枝晶间液相的流动阻力，从而实现对凝固过程液相流动速率及流动方向的控制。这为调控金属实际凝固组织三维致密度并以此精细化控制偏析提供了指导。

技术研发人员：曹江海,杨一鸣,石立超,张健健,侯秦龙
受保护的技术使用者：西部金属材料股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13