湍流作用下过冷度对铝合金枝晶生长的影响

以改进的KKS模型为基础,通过耦合湍流情况下的流动控制方程组,模拟了紊流作用下Al-2.5%Cu合金在等温凝固过程中过冷度对枝晶生长形貌和溶质场分布的影响。结果表明,随着初始温度的升高,过冷度降低,枝晶生长速度变慢,固相和固-液界面前沿溶质浓度降低。     

过冷度对Ni-Cu合金枝晶偏析影响的相场法模拟

采用耦合热扰动的相场模型,对Ni-Cu合金枝晶生长中的枝晶形貌和微观偏析进行计算和分析,并研究过冷度对其凝固过程中溶质分布的影响。结果表明:随着过冷度的增加,二次枝晶变的更发达,枝晶主干变细,一次枝晶干轴对称中心处的溶质浓度升高,一次枝晶干和二次枝晶臂间富集的溶质更多。过冷度越大,固液界面前沿溶质扩散层越薄,枝晶的微观偏析越严重,即溶质微观偏析程度随过冷度的增大而增大。     

相场法模拟对流作用下铝合金的枝晶生长

基于现有二元合金纯扩散相场模型,建立了耦合流场和溶质场的相场模型,采用有限体积法和有限差分法对控制方程进行数值求解,模拟了对流作用下二元合金等温凝固过程中枝晶的生长,研究了过冷度对枝晶生长形貌和溶质场的影响,分析了枝晶主轴中心方向的溶质分布.结果表明:过冷度越大,枝晶的生长速率越快,固液界面前沿溶质扩散层越薄,溶质梯度越大.     

快速定向凝固Cu50Ni50单晶

过冷单相合金熔体枝晶生长过程动力学分析结果表明,存在一个枝晶生长控制方式发生转变的临界过冷度ΔＴｃ→（溶质过冷度ΔＴｃ与热过冷度ΔＴｔ交点对应的过冷度）。在临界过冷度两侧枝晶对生长过程中速度波动的响应不同。当ΔＴ〈ΔＴｃ→ｔ时,枝晶生长主要受溶质扩散控制,任何波动引起生长速度提高,都将引起枝晶尖端ΔＴｃ增大,导致生长速度回落。当ΔＴ〈ΔＴｃ→ｔ时,枝晶生长的控制性环节是热扩散,生长速度提高,溶质截     

Al-Si二元合金微观偏析的相场法模拟

采用耦合溶质场的相场模型模拟了亚共晶Al-2mol%Si二元合金枝晶生长过程,研究了不同过冷度条件下枝晶的生长形貌以及沿生长方向溶质浓度的分布情况,同时分析了固相溶质扩散系数对微观偏析的影响。结果表明:过冷度对溶质的分布有较大影响,过冷度的增加使凝固界面溶质的富集程度增大;增大固相溶质扩散系数,溶质的微观偏析程度减轻;计算结果与Ivantsov理论值能够较好的吻合。     

相场法模拟Ni-Cu合金枝晶生长中过冷度的影响

用相场法模拟了Ni30Cu70合金非等温凝固中的枝晶生长过程。研究了过冷度对过冷合金熔体中的枝晶生长以及溶质场和温度场的分布的影响。模拟结果表明：随着过冷度的增大，二次枝晶臂发达，溶质扩散层厚度减小、溶质浓度梯度增大，热扩散层厚度减小。     

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。     

PMO对连铸GCr15轴承钢枝晶生长的影响

通过对PMO处理的连铸GCr15轴承钢固/液界面枝晶形貌和微观偏析的观测,探究了施加PMO对铸坯固/液界面前沿枝晶生长的影响。结果表明:PMO作用于固/液界面处,使枝晶间碳富集程度降低,初生相的面积占比增大,一次枝晶间距减小,二次枝晶臂间距增大,且二次臂细长致密,局部枝晶非对称生长。结合PMO的电磁热力效应分析认为,枝晶生长前沿的温度场和溶质场在PMO作用下出现扰动,固/液界面前沿溶质富集减轻,成分过冷度增大,促进枝晶臂生长,导致初生相占比增大;强制对流使液相温度分布均匀,固/液界面处温度梯度增大,故一次枝晶间距减小;由于垂直于拉坯方向的液相温度梯度减小及微区的磁致振荡效应,柱状枝晶的生长方向发生改变,干扰了枝晶间富集溶质的扩散,进而造成了枝晶的非对称生长。     

考虑界面法向速度变化所导致的界面非等溶质特性的自由枝晶生长模型（英文）

在同时考虑溶质偏析的界面法向速度依赖性与局域非平衡溶质扩散的情况下,建立一个扩展的自由枝晶生长模型。与假设等溶质界面的枝晶生长模型的预测相比,从溶质枝晶到热枝晶的转变发生在更高的过冷度,即溶质控制生长发生在更宽的过冷度区域。在高过冷度区域,从热控制生长模式到纯热控制生长模式的转变没有等溶质模型所预测的急剧,而是发生在一定范围的过冷度区域。这是由于溶质偏析的界面法向速度依赖性与局域非平衡溶质扩散这两个因素共同作用的结果。模型测试表明:本模型能够对现有Ni-0.7%B(摩尔分数)合金的实验数据给出满意的描述。     

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。     

冷却速率对Ni-Nb合金非平衡凝固组织的影响

采用阶梯铜模喷铸方式开展了Ni-10%Nb(质量分数)合金非平衡凝固实验,并利用Procast软件对不同铜模内径所对应的冷却速率进行了计算。综合采用光学显微镜、扫描电镜及能谱分析仪对不同冷速条件下合金二次枝晶间距、溶质含量等组织参量进行表征。实验结果表明,随铜模内径减小,合金冷却速率增加,二次枝晶间距减小,枝晶主干中溶质含量得到明显提高。在此基础上,利用枝晶生长模型对不同过冷度条件下的枝晶生长速率进行了计算。分析结果表明,随冷却速率增加,凝固发生时过冷度增大,枝晶生长速度提高,溶质截留现象趋于严重,导致溶质过饱和现象发生。此外,冷却速率的提高还有利于减小液/固界面前沿溶质扩散区长度,导致二次枝晶间距减小。     

基于有限体积法的Al-Cu合金中Cu枝晶生长过程模拟

考虑成分过冷、曲率过冷、界面能各向异性等因素,将有限体积法与元胞自动机相结合,对枝晶生长过程进行模拟,改进了界面推进和溶质扩散过程的计算.结果发现,过冷度、溶质浓度等因素对于枝晶的形貌和生长速度有着重要影响,而在合金的各种物性参数中,液相溶质扩散系数对于枝晶的生长影响尤为显著.     

对流作用下枝晶生长行为的相场法

基于Wheeler等提出的纯扩散相场模型,建立耦合溶质场、温度场和流场的相场模型,采用有限差分法对控制方程进行数值求解,研究Ni-Cu合金凝固过程中单晶粒枝晶和多晶粒枝晶在强制对流作用下的生长行为。结果表明:熔体的流动显著改变凝固前沿的传热和传质,从而改变枝晶的生长行为。在流速为6.43m/s的垂直强制对流作用下,上游枝晶受过冷熔体冲刷,枝晶尖端溶质浓度和温度低,实际过冷度大,枝晶生长迅速,稳态生长速度比纯扩散时增加28%;热量和溶质在下游富集,下游枝晶尖端溶质浓度和温度高,实际过冷度小,枝晶生长缓慢,稳态生长速度比纯扩散时减小26%。     

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。     

不同择优生长取向角枝晶生长的数值模拟

通过耦合溶质扩散方程,并考虑成分过冷和曲率过冷对界面平衡溶质成分的影响,建立改进的元胞自动机模型来模拟溶质扩散控制的立方晶系合金的枝晶生长过程。模型在计算固液界面生长速率时考虑立方晶系枝晶择优生长取向100的影响,同时采用斜中心差分格式对界面生长速率方程进行离散,从而能够模拟择优生长取向与坐标轴成不同夹角的枝晶生长形貌演变。为验证模型的可靠性,模拟NH4Cl-H2O系透明合金单个等轴枝晶以及不同择优生长取向角的多个等轴枝晶和柱状枝晶的形貌演化,模拟结果与实验结果吻合较好。     

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。     

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.     

过冷熔体中非等温凝固枝晶生长相场法模拟

基于二元合金相场模型,建立了耦合溶质场和温度场的相场模型.采用有限差分法对控制方程进行了数值求解,模拟了Al-Cu二元合金非等温凝固时枝晶生长过程,研究了过冷度对等轴枝晶生长行为的影响.结果表明:过冷度越大,枝晶的侧向越发达,甚至三次枝晶出现,枝晶尖端生长速度越大,计算范围内温差越大.     

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。     

Fe-C合金枝晶生长的相场模拟

采用相场法模拟了Fe-C0.5mol%合金等温凝固中的枝晶生长过程,研究了各向异性模数、各向异性强度和过冷度对枝晶生长的影响.结果表明,在二维平面上,枝晶沿<100>方向生长时,形成四重对称的枝晶形貌;枝晶沿<110>方向生长时,形成六重对称的枝晶形貌.随着各向异性强度增加,枝晶生长速度增加,晶粒由类球状向枝晶转变.随着过冷度的增加,枝晶生长速度增大,溶质扩散层减小,枝晶变的粗大.