金属凝固微观组织的相场模拟研究进展

金属凝固微观组织对金属的性能有着决定性的影响,利用相场方法模拟凝固微观组织形成和演化已在国内外取得成功.介绍相场方法的基本原理,综述近年来国内外在这一领域的研究进展,重点介绍相场方法在枝晶生长方面的应用,并指出了进一步的发展方向.     

过冷熔体定向凝固过程枝晶生长的相场法模拟

利用二元合金相场模型与溶质场进行耦合计算，以Al-4．5％Cu合金为例模拟了二元合金定向凝固的枝晶生长过程。研究了不同过冷度下二元合金过冷熔体定向凝固时枝晶的演化过程及其溶质场的分布情况。结果表明：利用相场模型可以逼真地模拟枝晶的生长过程，以及界面形貌从平界面向柱状晶生长的转变，可再现枝晶演变过程中相互之间的竞争生长和熔合现象。     

定向凝固微观组织的相场法模拟研究进展

定向凝固过程中的界面形态对凝固组织有着决定性作用，相场法可以很好地展示凝固过程界面形态的演化。阐述了二元合金定向凝固相场方法数值模拟的基本原理及国内外研究现状，以Ni-Cu二元合金为例，采用相场法模拟了定向凝固过程中界面形态的演化，并指出该领域目前所面临的问题及进一步的研究方向。     

定向凝固微观组织相场法模拟进展

凝固过程中固液界面形态对凝固组织有着决定性作用,针对微观组织数值模拟研究,相场法可以很好地展示凝固过程固液界面形态的演变.在调研和查阅了大量资料的基础上,着重介绍了相场法数值模拟的基本原理及其在定向凝固的微观组织模拟国内外研究概况;最后,分析了相场模型的不足并指出了该领域研究中亟需解决的问题及其发展方向.     

Ni-Cu二元合金定向凝固的相场法数值模拟

采用相场方法对二元合金的定向凝固进行二维数值模拟,以Ni-Cu合金为例,展示了界面形态的演化过程,研究了相场参数对界面形态的影响.结果表明,随着界面厚度的减小,晶体生长形态由胞晶转变为树枝晶,尖端速度增大,但其稳定性下降;各向异性系数越小,尖端生长速度越小,越易于侧向分支的生长,形成胞状枝晶;热扰动幅值α对界面形态也有重要影响,当a取值适当时,便引发侧向分支,形成胞状枝晶,同时尖端速度也受到影响.     

Ni-Cu二元合金定向凝固的相场法数值模拟

采用相场方法对二元合金的定向凝固进行二维数值模拟,以Ni-Cu合金为例,展示了界面形态的演化过程,研究了相场参数对界面形态的影响.结果表明,随着界面厚度的减小,晶体生长形态由胞晶转变为树枝晶,尖端速度增大,但其稳定性下降;各向异性系数越小,尖端生长速度越小,越易于侧向分支的生长,形成胞状枝晶;热扰动幅值α对界面形态也有重要影响,当a取值适当时,便引发侧向分支,形成胞状枝晶,同时尖端速度也受到影响.     

相场法凝固组织模拟的研究进展

阐述了相场法是一种用于模拟凝固微观组织的有效方法 ,是目前国内外的研究热点 ;论述了相场法模拟凝固微观组织的原理和国内外的研究现状 ,并指出进一步研究的方向。     

过冷定向凝固Ti-44Al合金微观组织的相场法模拟

采用相图计算热动力学模型构造凝固体系的自由能,通过相场法模拟了Ti-44Al合金在过冷定向凝固条件下微观组织演化,观察到胞/枝晶共存的微细结构的形成。对胞/枝晶尖端温度场分析表明,结晶潜热的释放导致“领先臂“尖端的固相前沿出现局部正温度梯度有利于这种结构的形成。同时考察了“领先臂“尖端的溶质场分布并计算了溶质分配系数。模拟结果与试验结果有可比性,与理论结果相符合。     

非等温凝固下Mg-Gd合金多枝晶生长的相场法模拟

建立耦合温度场的多晶相场模型,对非等温凝固下多枝晶的生长进行定量研究.发现热扩散系数越大,凝固潜热释放越快,枝晶生长速度越快,枝晶尺寸就越大;增大过冷度会导致凝固驱动力增强,凝固潜热释放速度和枝晶生长速度加快,枝晶转变的固相体积分数增大,大量溶质在液固界面处或枝晶间富集.     

Fe-C-Mn三元合金等温凝固过程枝晶生长的相场法模拟

采用相场方法模拟了Fe-1.0%C-0.1%Mn三元合金等温凝固过程二维枝晶生长,预测了溶质浓度分布以及Mn元素对枝晶形貌的影响.结果表明:Mn和C浓度分布相似,枝晶主干溶质浓度最低,而在二次枝晶臂之间形成了溶质富集浓度最高.与Fe-1.0%C合金比较,Fe-1.0%C-0.1%Mn合金由于Mn元素的添加抑制了侧向分枝的生长,使二次枝晶不发达.     

Cellular Automaton法模拟金属凝固显微组织研究进展

介绍了金属凝固过程中显微组织模拟的数学模型和计算模型以及元胞自动机（Cellular automation）法的原理及发展历程。概述了晶粒形核和生长的几个物理模型，并对元胞自动机在凝固过程中微观组织形成过程的计算机模拟的应用作了较详细的介绍。元胞自动机考虑了形核和生长动力学问题，通过宏微观耦合模型可计算固相分数和潜热释放的变化。介绍了两种元胞自动机和有限元方法的耦合方式，并对元胞自动机法的未来发展方向进行了展望。     

Phase field modeling the selection mechanism of primary dendritic spacing in directional solidification

Selection mechanisms of primary dendritic spacing in directional solidification are investigated by the phase field method. Results show that the lower and upper limits of primary spacing are determined by the interdendritic solutal interactions and the interdendritic undercooling respectively. The upper limit of primary spacing resulting from overgrowth of the tertiary arm could be about four times as large as the lower limit. The microstructural evolution from the onset of planar instability during directional solidification with a constant pulling velocity can be divided into three stages: an initial competition stage, a submerging stage and a lateral adjustment stage. Simulation results also demonstrate that the final primary spacing with a constant pulling velocity is very close to the lower limit due to the dendrite submerging mechanism.     

Fe-C合金等温凝固过程枝晶生长的相场法模拟

基于KKS模型,采用相场和溶质场耦合的方法,对Fe-0.5mol%C合金枝晶生长及溶质分布过程进行了数值模拟。结果表明,枝晶主轴比较发达,二次枝晶垂直于主轴生长;二次枝晶呈现相互平行生长的同时,也存在较为严重的相互竞争生长,且根部出现"颈缩"现象。随着二次枝晶的生长,甚至还出现了三次枝晶的生长。凝固过程中固相溶质浓度较低,而液相溶质浓度较高,固/液界面区域出现溶质富集现象,枝晶溶质浓度分布曲线的形貌与枝晶形貌互相对应。     

旋转磁场对Bi-In合金凝固微观组织的影响

研究了常规条件和旋转磁场条件下Bi-In合金的凝固组织特性。试验结果表明:旋转磁场条件下的Bi-63%In亚共晶合金、Bi-69%In过共晶合金的组织均得到了改善和冷却速率明显加快。分析认为枝晶的碎断和细化主要是旋转磁场所致,并从磁流体力学和固/液自由能两个方面进行了详细的阐述。     

金属熔体凝固微观组织模拟的相场方法研究

全面阐述了现有的金属熔体凝固微观组织模拟的相场模型:纯物质、二元合金理想溶液或正规溶液和稀溶液相场模型,指出构造适合于具有复杂溶液模型的金属熔体凝固微观组织模拟相场模型的必要性.提出采用相图计算热力学模型构造相场模型中的体系自由能,并对相场参数做出相应修正,建立了能对具有复杂溶液模型的金属熔体凝固微观组织进行准确模拟的相场模型.利用该相场模型对Ti-Al金属熔体中晶体的自由生长和定向生长进行了模拟,得到许多与试验观察和理论分析相一致的结果.     

Phase and Microstructure Selection During Directional Solidification of Peritectic Alloy Under Convection Condition

A phase and microstructure selection map used for peritectic alloy directionally solidified under convection condition was presented,which is based on the nucleation,constitutional undercooling criterion(NCU criterion),and the highest interface temperature criterion.This selection map shows the relationships between the phase/microstructure,the G/V ratio(G is the temperature gradient,V is the growth velocity),and the alloy composition under different convection intensities and nucleation undercoolings.Comparing with the results from directional solidification experiments of Sn–Cd peritectic alloys,this selection map was generally in agreement with the experimental results.     

磁场对偏晶合金定向凝固组织的影响

横向均匀静态磁场可以有效地抑制定向凝固过程中熔体中的对流;磁场的作用使偏晶系 Ａｌ６ ．５ Ｂｉ 合金纤维组织间距和纤维直径减小,而且组织分布更加均匀。     

强磁场下金属凝固研究进展

强磁场下金属凝固研究是一个新开辟的研究方向,有着广阔的前景。叙述了强磁场的基本效应,综述了强磁场下金属凝固的研究进展。重点介绍了磁场对凝固动力学、固／液界面稳定性、单相合金生长、共晶生长、热电磁流动及其作用、第二相颗粒运动的影响等方面的研究工作。指出了需要进一步研究的主要问题,以及所需的相关物理参数。     

磁场在材料凝固技术中的应用研究现状

介绍了磁场分类及其在材料凝固技术中的应用研究现状。磁场可分为稳态磁场和非稳态磁场,其中稳态磁场又可分为尖角磁场(CMF)、垂直磁场(VMF)、水平磁场(HMF);非稳态磁场可分为旋转磁场(RMF)、行波磁场(TMF)、脉动、脉冲、交变磁场(AMF、PMF)和复合电场磁场(EMF),同时具体阐述了每种磁场的机理及其在材料凝固技术中的应用情况。最后对未来的电磁凝固技术进行了展望。