强制对流作用下纯Ni枝晶生长的相场法研究(二)

基于耦合流场的Wheeler模型,采用有限差分法对纯镍枝晶生长过程进行了模拟,研究了初始晶核半径对枝晶形貌及尖端生长行为的影响,分析了初始晶核半径大于尖端分裂临界晶核半径时的枝晶生长机理。结果表明,在流速为14.76 m/s的垂直强制对流作用下,初始晶核半径小于尖端分裂临界晶核半径时,不同初始晶核半径的枝晶臂尖端生长行为相似,且为抛物线形;初始晶核半径大于尖端分裂临界晶核半径时,晶核各优先生长方向上均形成两个突起,水平方向的两个突起合并粗化形成单一枝晶臂,逆流、顺流方向的两个突起平行生长形成尖端分叉的枝晶臂。     

Al-0.035Ni合金凝固过程微观组织的相场法数值模拟

采用相场法对Al-0.035Ni合金在凝固过程中的微观组织进行数值模拟。分别模拟时间步长、各向异性系数和过冷度下Al-0.035Ni合金的枝晶生长过程;分析了Al-0.035Ni合金中过冷度对溶质分布的影响。结果表明:随着时间步长的不断增大,晶粒生长由最初的近圆形向枝晶状形貌转变,沿晶轴方向的枝晶生长速率明显快于其他方向。当各向异性系数较小时晶体生长缓慢,晶核在各个方向上的生长速度并没有太大的差异;随着各向异性系数的增大,晶粒在主轴方向上的生长优势越发明显。合金等轴枝晶周围的热扩散层由于受过冷度的影响,其枝晶尖端具有不同的生长速率;当增大过冷度时,枝晶尖端的生长速率随之增大,尖端形核半径呈减小趋势。此外,过冷度对合金枝晶内的溶质偏析影响不容忽视,会在枝晶内形成明显的溶质梯度。     

纯Ni枝晶生长过程的相场法数值模拟

采用凝固过程相场模型,对纯Ni过冷熔体中的枝晶生长过程进行了计算模拟,研究了各向异性强度、过冷度、扰动等对枝晶生长的影响.结果表明:随着各向异性强度的增大,枝晶尖端生长速度加快,枝晶结构特征愈加明显;随着过冷度的增加,枝晶尖端稳定性遭到破坏,甚至出现分叉;扰动会促发侧向分枝的形成,但不影响枝晶尖端的稳态生长行为.     

相场参数对强制流动下枝晶生长影响的模拟研究

基于相场方法对强制流动下的纯物质凝固过程进行数值模拟,研究流速、过冷度、耦合参数、各向异性参数对枝晶生长的影响.结果表明:强制流动下的晶核生长为非对称的枝晶,迎流方向的枝晶臂尖端生长得到促进、逆流方向的受到抑制、垂直流方向则影响很小;随着过冷度、耦合参数、各向异性值的增大,3个方向的枝晶臂生长速度均增加.     

Mg-Gd合金凝固过程中枝晶生长的相场模拟

基于Karma定量相场模型对Mg-6Gd(wt%)合金等温凝固过程中单枝晶和多枝晶的生长规律进行了模拟。定量研究了相场参数和溶质偏析对凝固过程中枝晶演化的影响。结果表明,各向异性强度越小,单枝晶尖端的失稳现象越明显,极易生成二次枝晶臂。同时讨论了各向异性强度与枝晶尖端半径和移动速率之间的关系,其结果与微观可解理论吻合较好。空间步长过大会导致枝晶形貌的变异,过小则计算效率低,合理的范围在(0.2～0.8)W_0(W_0为界面厚度)内。多枝晶生长模拟结果表明,枝晶臂弯曲是由于多枝晶在等温条件下的竞争生长所致。同时,大量溶质在枝晶间富集和分离,抑制枝晶的生长。     

相场法模拟丁二腈枝晶生长研究

基于相场方法对纯物质的凝固,进行了二维数值模拟.以丁二腈（SCN）为例,展示了界面形貌的演化过程,研究了相场参数对枝晶界面形貌的影响.结果表明,随着各向异性值的增加,晶核由一圆核逐渐发展为发达的枝晶,当γ=1/15时与γ=0一样,晶核生长为一圆核;随着过冷度的增大,二次枝晶出现并长大,枝晶的稳态尖端速度呈递增趋势,且增加趋势明显加快;随着耦合系数的增大,枝晶稳态尖端速度呈递增趋势,且耦合系数越大,界面的稳定性越差.     

相场法模拟流动下纯物质多晶粒枝晶形貌研究

基于相场方法对包含多晶粒的纯物质凝固过程进行了数值模拟.以Ni-Cu合金为例,展示了多核晶粒形貌的生长过程,研究了流速、各向异性参数对多枝晶生长形貌的影响.结果表明:随着模拟时间的增加,各晶核的生长模式由自由生长演化为竞争生长;引入强制流动后,晶核生长为非对称的枝晶,上游枝晶臂的生长受到促进,下游臂受到抑制并向下倾斜生长,垂直臂受到的影响很小,但是它逐渐向迎流方向倾斜生长;随着流速的增大,多枝晶的非对称性增强,随着各向异性值的增大,各枝晶形貌大小逐渐增大,上游臂尖端界面的溶质堆积程度逐渐减弱.     

相场法模拟流动下纯物质多晶粒枝晶形貌研究

基于相场方法时包含多晶粒的纯物质凝固过程进行了数值模拟.以Ni-Cu合金为例,展示了多核晶粒形貌的生长过程,研究了流速、各向异性参数对多枝晶生长形貌的影响.结果表明:随着模拟时间的增加,各晶核的生长模式由自由生长演化为竞争生长;引入强制流动后,晶核生长为非对称的枝晶,上游枝晶臂的生长受到促进,下游臂受到抑制并向下倾斜生长,垂直臂受到的影响很小,但是它逐渐向迎流方向倾斜生长;随着流速的增大,多枝晶的非对称性增强,随着各向异性值的增大,各枝晶形貌大小逐渐增大,上游臂尖端界面的溶质堆积程度逐渐减弱.     

镁合金焊缝凝固枝晶生长的相场法模拟分析

采用六重对称各向异性的Karma模型对镁合金焊缝凝固枝晶生长过程进行模拟,研究了晶核密度、晶核位置对枝晶生长的影响。结果表明:单枝晶生长时,晶核在优先生长方向上生长迅速,形成六重对称的枝晶形貌;多枝晶生长时,受生长空间的限制,枝晶形貌的对称性被严重破坏。当晶核密度较小时,晶核平均生长空间较大,晶核之间的相互影响较弱,形成六重对称枝晶形貌;当晶核密度较大时,晶核平均生长空间较小,晶核之间的相互影响加强,形成不规则枝晶形貌;当仅有2个晶核处于计算区域对角位置时,相对生长空间充足,六重对称枝晶形貌发达。     

来流对Al-Cu合金三维树枝晶生长的影响

建立了模拟二元合金树枝晶生长的三维元胞自动机模型,以Al-4%Cu(质量分数)为模型合金,模拟了合金过冷熔体中树枝晶的生长过程,研究了来流对枝晶生长的影响.结果表明,来流对合金过冷熔体中三维树枝晶生长影响显著,迎流侧枝晶尖端生长速度随来流速度的增大而增大,枝晶尖端半径随来流速度的增大而减小;随着来流速度的增大,枝晶尖端选择参数减小;在给定过冷度条件下,随界面能各向异性的增大,来流对枝晶尖端选择参数的影响增强;对于给定的合金(或界面能各向异性),来流对枝晶尖端选择参数的影响随着过冷度的增大而增强.     

Phase field simulation of dendrite growth under convection

The phase-field model coupled with a flow field was used to simulate the solidification of pure materials by the finite difference method. The effects of initial crystal radius, the space step and the interface thickness on the dendrite growth were studied. Results indicate that the grain grows into an equiaxial dendrite during free flow and into a typical branched structure under forced flow. The radius of an initial crystal can affect the growth of side-branches but not the stability of the dendrite's tip when an appropriate value is assigned to it. With an increase in space steps, side-branches appear at the upstream of the longitudinal principal branch and they grow rapidly. With an increase in the interface thickness, the trunk of the longitudinal upstream and lateral principal branches grow longer and become more slender while the number of secondary branches increases.     

镁合金枝晶生长的相场法研究

采用有限差分法求解考虑界面能各向异性的相场模型,对镁合金枝晶生长过程进行了模拟计算,研究了无量纲过冷度和各向异性强度对枝晶生长行为的影响。结果表明:镁合金枝晶在二维平面上具有6个最优生长方向,优先生长方向上枝晶生长迅速,形成枝晶主干,枝晶形貌具有六重对称性。随着过冷度和各向异性强度的增加,枝晶形貌由光滑的类六边形向具有侧向分支的六重对称形貌转变,温度扩散层由类球形向星形过渡,枝晶尖端生长速率增加,尖端曲率半径和温度值减小。     

Effect of interface anisotropy on spacing selection in constrained dendrite growth

The selection of spacing in directional dendritic solidification is investigated numerically using the phase-field method in two and three dimensions. A criterion for the critical spacing below which no stable array growth can exist is derived from analysis of individual tip shapes. Constricted solute diffusion in the array leads to a deformation of the dendrite tip shape that competes with the deformation due to surface tension anisotropy. At the critical spacing both effects balance and a stable growth solution is destroyed. This mechanism is identified to determine the critical spacing of a dendritic array and leads to a dependence of the spacing on the anisotropy of the solid–liquid interface energy in a similar way as for the dendrite tip radius.     

Phase field method simulation of faceted dendrite growth with arbitrary symmetries

A numerical simulation based on a regularized phase field model is developed to describe faceted dendrite growth morphology. The effects of mesh grid, anisotropy, supersaturation and fold symmetry on dendrite growth morphology were investigated, respectively. These results indicate that the nucleus grows into a hexagonal symmetry faceted dendrite. When the mesh grid is above 640×640, the size has no much effect on the shape. With the increase in the anisotropy value, the tip velocities of faceted dendrite increase and reach a balance value, and then decrease gradually. With the increase in the supersaturation value, crystal evolves from circle to the developed faceted dendrite morphology. Based on the Wulff theory and faceted symmetry morphology diagram, the proposed model was proved to be effective, and it can be generalized to arbitrary crystal symmetries.     

相场法模拟热耦合强度对纯Ni枝晶生长的影响

基于Karma的薄界面极限相场模型,研究了相场和温度场耦合强度对过冷纯Ni熔体中枝晶生长行为的影响。模拟结果表明:随着热耦合强度的减弱,相场受温度场的影响作用减弱,固-液相界面前沿扰动变大,主枝出现二次枝晶并逐渐发达粗化,其粗化方式由缩颈熔断向枝晶臂合并方式转变。同时,枝晶尖端的生长速率增大、曲率半径减小。瞬态过程中枝晶尖端生长速度大于稳态生长速度,随着生长过程的进行,枝晶尖端生长速度逐渐降低,直至达到稳态值,计算结果与微观可解理论吻合良好。     

Phase-field modeling of dendritic growth of magnesium alloys with a parallel-adaptive mesh refinement algorithm

A two-dimensional phase field (PF) model was developed to simulate the dendritic solidification in magnesium alloy with hcp crystal structure.By applying a parallel-adaptive mesh refinement (Para-AMR) algorithm,the computational efficiency of the numerical model was greatly improved.Based on the PF model,a series of simulation cases were conducted and the results showed that the anisotropy coefficient and coupling coefficient had a great influence on the dendritic morphology of magnesium alloy.The dendritic growth kinetics was determined by the undercooling and equilibrium solute partition coefficient.A significant finding is acquired that with a large undercooling,the maximum solute concentration is located on both sides of the dendrite tip in the liquid,whereas the maximum solute concentration gradient is located right ahead of the dendrite tip in the liquid.The dendrite tip growth velocity decreases with the increase of the equilibrium solute partition coefficient,while the variation trend of the dendrite tip radius is the opposite.Quantitative analysis was carried out relating to the dendritic morphology and growth kinetics,and the simulated results are consistent with the theoretical models proposed in the previously published works.     

相场参数对枝晶生长形貌的影响

基于相场与温度场耦合的相场法原理对Ni-Cu二元合金枝晶长大过程进行二维数值模拟。研究了不同过冷度和各向异性系数等相场参数对枝晶生长的影响,最后采用加入非平衡扰动的方式,进行了二次及三次枝晶生长的模拟。模拟结果表明:随着过冷度的增加,越有利于侧向分枝的生长;各项异性γ系数影响枝晶尖端的稳态行为,γ越大,枝晶生长速度越大,侧向分枝越发达,二次枝晶间距越小。     

元胞自动机方法模拟枝晶演变过程的分析与研究

利用传统的元胞自动机方法摸拟了基于溶质扩散控制界面生长机制的枝晶演变和显微偏析。模拟结果显示这种方法可以显示出枝晶形貌和显微偏析，同时可以再现凝固过程中的再辉现象。在模拟的过程中发现模拟的枝晶尖端半径与理论计算的枝晶尖端半径符合较好，但模拟结果也显示出一些波动，通过分析发现导致波动的原因是元胞自动机方法的规则将连续的枝晶生长模型割裂成离散跳跃的生长方式，因此不可避免地产生模拟结果波动。     

HCP材料强界面能各向异性的相场模型

基于Karma模型和Eggleston修正强界面能各向异性的方法,建立HCP材料的强界面能各向异性相场模型。采用有限差分法对控制方程进行数值求解,模拟研究HCP材料的枝晶生长行为。结果表明：枝晶形貌呈现出明显的六重对称性,界面方向不连续,导致在主枝和侧枝的尖端出现棱角。当界面能的各向异性强度低于临界值（1/35）时,枝晶尖端稳态生长速度随着各向异性强度的增加而增加;当界面能各向异性强度值超过临界值时,尖端稳态生长速度降低0.89%;当进一步增加各向异性强度值时,尖端稳态速度增加且在各向异性强度值为0.04时达到极大值,随后减小。