强界面能各向异性下二元Ni-Cu合金枝晶生长过程的相场法模拟

基于Wheeler模型和Eggleston修正强界面能各向异性的方法,建立耦合溶质场和温度场的相场模型,模拟强界面能各向异性下Ni-Cu合金枝晶生长过程.结果表明:在强界面能各向异性作用下,界面方向枝晶生长不连续且枝晶出现棱角;由于枝晶尖端温度梯度和溶质梯度较大,枝晶生长迅速.当界面能各向异性强度低于临界值时,枝晶尖端生长速度随界面能各向异性强度的增加而增大;当界面能各向异性强度等于临界值时,枝晶尖端生长速度下降4.34％;当界面能各向异性强度大于临界值时,枝晶尖端生长速度随界面能各向异性强度的增加先增大到极大值后逐渐减小.当无量纲热过冷度较小时,晶体平衡形貌为类矩形;随着无量纲热过冷度的增加,晶体平衡形貌向枝晶转变,枝晶尖端生长速度先呈幂指数增加,然后呈线性增加,枝晶生长由扩散控制转变为动力学控制.     

界面动力学系数影响枝晶生长的相场模拟

利用相场法对纯金属熔体中的枝晶生长进行了模拟;研究了界面动力学系数取值的影响因素及其取值对枝晶尖端生长速度和尖端半径的影响。结果表明：界面动力学系数的取值由相场和温度场的耦合系数、热扩散系数、界面厚度、界面原子运动时间变量等参数综合决定,随着界面动力学系数的增加,枝晶尖端生长速度减小,尖端半径增大。     

相场法模拟强各向异性作用下二元合金枝晶生长

基于Wheeler模型和Eggleston修正强界面能各向异性的方法,建立耦合溶质场和温度场的相场模型,模拟强界面能和界面动力学各向异性下Ni-Cu合金的枝晶生长过程。结果表明:两种各向异性均显著影响枝晶生长,在强界面动力学各向异性下,固相以类矩形方式沿?110?方向生长;在强界面能各向异性及同时存在两种各向异性下,固相以枝晶方式沿?100?方向生长,界面方向不连续,枝晶臂主枝尖端出现棱角。在各向异性强度取值相同情况下,仅有界面能各向异性时,?100?方向枝晶尖端温度梯度大,生长迅速,稳态生长速度比同时存在两种各向异性的大32.26%;仅有界面动力学各向异性时,?100?方向枝晶尖端温度梯度小且溶质浓度高,生长缓慢,稳态生长速度比同时存在两种各向异性的小48.92%。     

各向异性强度对过冷NiCu合金枝晶生长的影响研究

采用相场与浓度场耦合的相场法,对二元单相Ni-Cu合金过冷熔体中的枝晶生长过程,进行了二维数值模拟,研究了各向异性强度对枝晶生长的影响。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。各向异性最佳取值范围0.03～0.055之间,能真实反映实际的技晶生长形貌。     

各向异性对过冷熔体中枝晶生长影响的相场法模拟

文中采用二元合金的等温相场模型，通过在相场参数中引入界面能各向异性强度参数，以A1-4．5％Cu合金为例模拟了各向异性强度对二元合金凝固过程的枝晶生长的影响。结果表明：各向异性强度小时，枝晶形貌呈海藻态，随着各向异性强度的增大，枝晶形貌从海藻态向枝晶态转变，主枝不再分叉，成为光滑枝晶，枝晶尖端生长速度增大，曲率半径减小并逐渐趋于定值，同时模拟的结果与经典枝晶生长理论相吻合。     

噪声对NiCu合金凝固过程中枝晶生长影响的数值模拟

利用相场模型与溶质场进行耦合计算,模拟了二元Ni-Cu合金等温凝固的枝晶生长过程,研究了扰动对枝晶生长及溶质场和相场分布的影响。结果表明:当扰动大小取值适当时,热噪声的引入能引发侧向分枝,但不改变枝晶尖端的稳态行为;扰动可促进二次晶臂生长,加扰动后初生枝晶要长一些,即生长速度要快,枝晶形貌也更加复杂;随着扰动幅值的增大,枝晶尖端分叉程度增大;在枝晶生长过程中,枝晶尖端的浓度梯度最大,另外在被二次晶臂包围的界面区域,溶质浓度最高。     

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.     

相场法模拟对流对枝晶生长的影响

基于Tong相场模型发展得到的单相场控制多晶粒相场模型,采用相场、流场及温度场三场耦合的方法,对纯镍凝固过程中的枝晶生长进行了数值模拟.时比研究了有无对流情况下,单个枝晶不同择优取向的枝晶形貌和枝晶尖端生长速度;模拟了多个晶粒的竞争生长,再现了凝固过程中的枝晶生长过程.     

二元合金非等温凝固枝晶生长的相场法模拟

利用相场模型与溶质场，温度场进行耦合计算，以Al-4.5%Cu合金为例模拟了二元合金非等温凝固和等温凝固的等轴枝晶生长过程。研究了扰动对过冷合金熔液中的等轴枝晶生长以及溶质场和温度场的分布的影响。结果表明：扰动的引入可以促进枝晶的二次晶臂生长，并使固相中的最高温度提高，但基本不影响枝晶尖端稳定行为；在枝晶生长过程中枝晶尖端的浓度和温度的梯度最大；在非等温凝固时枝晶没有等温凝固时发达，并且凝固界面的溶质浓度也会降低。     

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。     

Numerical simulation of facet dendrite growth

Numerical simulation based on phase field method was performed to describe the solidification of silicon. The effect of anisotropy, undercooling and coupling parameter on dendrite growth shape was investigated. It is indicated that the entire facet dendrite shapes are obtained by using regularized phase field model. Steady state tip velocity of dendrite drives to a fixed value when γ≤0.13. With further increasing the anisotropy value, steady state tip velocity decreases and the size is smaller. With the increase in the undercooling and coupling parameter, crystal grows from facet to facet dendrite. In addition, with increasing coupling parameter, the facet part of facet dendrite decreases gradually, which is in good agreement with Wulfftheory.     

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。     

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。     

Al-Si合金枝晶形貌的三维相场模拟

基于包含固相扩散系数的Karma薄界面相场模型,采用三维自适应网格划分法,研究了界面宽度、热噪声幅值对Al-Si合金过冷熔体中枝晶生长行为的影响。模拟结果表明：随着界面宽度的增加,枝晶形貌的复杂度下降,枝晶尖端速度下降,尖端液相处溶质的富集程度下降;随着热噪声幅值的增加,枝晶尖端变化较小,位于枝晶主干两侧的二次枝晶的数量和不对称度增加。     

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.     

Effect of withdrawal velocity on dendritic interfacial characteristic for Al-Cu alloy during directional solidification

采用Al-4%Cu合金, 对不同抽拉速率下定向凝固枝晶界面特征进行了研究. 结果表明, 当抽拉速率从100 um/s增至600 um/s时, 一次枝晶间距随抽拉速率的增大而减小. 在枝晶固/液 界面存在枝晶干的凸起, 其平--凸--平--凸的程度随抽拉速率的增加呈现先加强后减弱最后几乎消 失的规律. 随着抽拉速率的增大, 枝晶尖端温度先升高而后降低. 采用KGT模型和非平衡效应 研究了枝晶界面温度, 分析了尖端过冷度和尖端成分对枝晶界面特征的影响, 得到非平衡凝固枝 晶尖端过冷度的计算方程. 界面平-凸-平-凸的程度与枝晶尖端成分和尖端过冷度有关.     

Distinctions of dendritic behavior influenced by constant pressure and periodic pressure

The distinctions of dendritic morphology and sidebranching behavior when solidified under atmosphere pressure, constant pressure which is higher than atmosphere pressure (hereinafter referred to as constant pressure) and periodic pressure were investigated using 3-D phase field method. When growing at atmosphere pressure, side branches (secondary dendritic arms) are irregular. When solidified under constant pressure with a relatively high value, side branches are much more luxuriant, with more developed high-order side branches. When applied with periodic pressure, resonant sidebranching happens, leading to many more regular side branches and the smallest secondary dendritic arm spacing (SDAS) in the three cases. The significant difference in dendritic morphology is associated with tip velocity modulated by total undercooling including pressure and temperature undercooling. In the case of constant pressure, tip velocity increases linearly with total undercooling, and it varies periodically in periodic pressure case. The different variation trend in tip velocity is the reason for the distinct dendrite growth behavior in different cases. Unlike the phenomenon in constant pressure case where the dendrite grows faster with higher pressure, the dendrite grows slower under periodic pressure with higher amplitude, resulting in less developed primary dendrite and side branches. This is influenced by tip remelting due to low undercooling or even negative undercooling. It is revealed that the accelerated velocity of tip remelting increases with the decline of undercooling. The greater the amplitude of periodic pressure, the faster the tip remelting velocity during one period. This is the reason why the average tip velocity decreases with the rise of amplitude of periodic pressure.

     

二元合金等轴枝晶生长相场模拟

在传统纯物质相场模型的基础上，对其中的体系自由能进行重新构造，得到一个紧密联系相图且综合考虑了传热、溶质扩散、界面能各向异性和界面动力学各向异性等适用于二元合金枝晶生长的新相场模型，并利用该模型结合一种能显著提高计算效率的“临界面点相场大梯度计算域控制法”，对AJ-7Si合金在初始过冷度分别为35K和50K的过冷熔体中等轴枝晶生长进行了模拟，得到许多与试验观察相符合的结果；同时在枝晶生长过程中跟踪枝晶主轴尖端，获得其尖端半径和尖端速率，发现随着凝固时间的增加，逐渐收敛，直到枝晶达到稳定生长，而且通过简化KGT模型计算的枝晶尖端的生长速率与模拟值相近。另外，就过冷度对等轴枝晶生长的影响进行了分析。