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。     

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.     

用相场法研究界面动力学各向异性对纯Ni枝晶生长的影响

基于耦合流场的Wheeler模型,对界面各向异性作用下纯镍枝晶生长过程进行模拟,研究了界面动力学各向异性对枝晶形貌及尖端生长行为的影响。结果表明:在仅有界面能各向异性(ε4)时,晶粒以枝晶方式沿<100>方向生长;在仅有界面动力学各向异性(εk)时,晶粒以枝晶方式沿<110>方向生长。界面同时存在ε4、εk时,随着εk的增加,晶粒优先生长方向由<100>过渡到<110>方向,[100]和[-100]方向尖端稳态速度减小,稳态温度升高。当ε4=εk=0.04时,随着凝固时间的推移,晶粒形貌由伞状经类正方形向发达枝晶形貌转变。     

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.     

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。     

Fe-C合金等温凝固过程的相场法模拟

基于KKS模型,采用耦合相场和溶质场的方法,对Fe-0．5mol％C合金凝固过程中的枝晶生长进行了模拟,并研究了过冷度、各向异性强度和扰动强度对枝晶生长形貌的影响。结果表明：随着过冷度的减小,枝晶主干细化,各向异性程度增大,晶粒生长速度减小,溶质扩散层厚度增加,枝晶的最高溶质浓度降低,溶质梯度减小;随着各向异性的增加,晶粒由海藻状转变为枝晶态,枝晶生长速度也随之增大;扰动强度引发了侧向分枝,侧枝间互相竞争生长,根部出现“颈缩”现象,但扰动强度的加入并不改变枝晶尖端的稳态行为。     

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.     

过冷度和耦合系数对枝晶生长速度及形貌的影响

采用耦合溶质场、温度场的相场模型,对金属镍凝固过程中枝晶生长进行模拟,研究了过冷度和耦合度对枝晶生长速度及形貌的影响。结果表明:过冷度和耦合度比较小时,整个枝晶形貌近似球形,枝晶生长速度随着过冷度和耦合度的增加而增加,主枝的增长速度优于其他方向,整个枝晶由开始近似球形慢慢变为星形;随过冷度继续增大,主枝的生长优势慢慢消失,出现更多侧枝,整体形貌又开始向球形过渡,直至第二侧枝速度赶上主枝,第三侧枝则完全消失。     

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。     

相场参数对多元合金凝固过程影响的相场法模拟

利用由二元合金相场模型扩展获得的多元合金相场模型,以Fe-C-P合金为例,研究了各向异性系数和过冷度对合金凝固过程的影响.结果表明:随着各向异性系数的增大,二次枝晶越来越发达,枝晶尖端生长速度增大,且尖端速度波动的幅值增大;随着过冷度的增大,枝晶形貌更成熟,枝晶尖端的曲率半径减小,而枝晶尖端的生长速度呈线性增长趋势,溶质扩散层厚度减小,相应地溶质梯度增大.