相场法模拟凝固过程中界面效应对晶粒形核的影响

采用连续相场模型对晶粒形核过程进行模拟,从动力学角度考虑,引入类似于纳米颗粒的界面效应,分析它对形核过程的影响;同时研究形核过程中晶核的析出、形核数目变化、晶界厚度变化以及晶核生长的特点。结果表明,界面效应为形核过程提供驱动力,促使晶核的快速长大;形核过程中晶核数目随时间逐渐增多,晶核尺寸逐渐增大,晶核生长速度较快,同时晶粒位向取向参数的变化反映了晶粒尺寸和晶界厚度的变化。     

镍基合金焊接熔池凝固组织模拟

对原有元胞自动机中网格的捕获规则进行修正,完善了"对角线模拟角度"法则,并用其成功地模拟了镍基合金熔池凝固过程枝晶生长以及晶界偏析情况.结果表明,在焊接熔池凝固过程中,不同取向的晶粒之间存在着激烈的竞争生长.结晶取向与温度梯度最大的方向相一致的晶粒生长速度快,将其它取向的晶粒淘汰,在竞争中能够持续生长.同时,在枝晶与枝晶、枝晶臂与枝晶臂之间的残余液相中,存在溶质堆积现象,在凝固过程结束后,形成了严重的晶界偏析.     

ULCB钢焊接熔池凝固过程数值模拟

采用元胞自动机法建立ULCB钢焊接熔池凝固过程的宏微观耦合模型,模拟非均匀温度场下焊接熔池凝固过程的组织形貌演变和溶质场分布,分析不同形核参数和合金成分对焊接熔池枝晶形貌的影响。结果表明,熔池边缘形成柱状晶,熔池中心形成等轴晶,柱状晶和等轴晶相互抑制长大;枝晶生长过程中始终存在着枝晶偏析现象;形核密度和合金成分影响枝晶的形核和生长,随着形核密度和合金成分的增加,焊缝中等轴晶区域增加,晶粒细化。     

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。     

焊接熔池凝固过程组织演变模拟

以枝晶生长动力学和晶粒生长能量最小原理为基础,建立了宏观传热与微观传质、形核、生长相耦合的焊接熔池CAMC晶粒生长二维数学模型.模型以CA方法模拟晶粒生长主干,MC在内部辅助晶粒生长以体现枝晶分枝机制,同时考虑非均匀形核对熔池结晶的影响因素,模拟了焊接熔池组织形成过程.结果表明,CAMC模型能够定量地描述熔池晶粒数目、尺寸和形貌演变,可以较准确地反映焊接熔池微观组织结构和熔池凝固过程中晶粒择优生长、柱状晶向等轴晶转换等物理机制.     

Analysis of Competitive Growth Mechanism of Stray Grains of Single Crystal Superalloys during Directional Solidification Process

在高梯度定向凝固装置中采用枝晶方向与热流偏离的籽晶制备AM3晶体,分析晶体生长过程中杂晶的形核原理和不同晶粒的竞争淘汰机制。结果表明,枝晶方向与热流偏离造成的过冷可促使杂晶的形成。枝晶生长方向与热流偏离较大的晶粒在一定条件下可淘汰枝晶方向与热流接近的晶粒;晶粒的竞争与淘汰过程受晶粒间枝晶的相对位向、晶粒生长方向与热流方向的夹角大小、晶粒的晶体取向等因素有关。     

三维相场法模拟定向凝固过程枝晶交叉生长研究

以Al-Cu二元合金为例,基于三维相场模型,模拟了定向凝固过程中初始晶粒以锯齿形排列,枝晶交叉生长时的竞争生长行为,研究了晶粒取向对枝晶交叉生长的影响规律。设定两层晶粒交叉生长时晶粒取向角的绝对值相等。结果表明,在一定的计算区域内,交叉生长时晶粒生长方向与温度梯度方向之间夹角的绝对值越大,两组枝晶通过液相通道穿插过对方枝晶之后,其生长越早被抑制,枝晶生长速度越小;当晶粒生长方向与温度梯度方向之间夹角的绝对值达到30°时,两组枝晶互相穿插过对方枝晶后,其中一组枝晶产生新的分枝。这种三维竞争生长很好地解释了相关实验研究,组织中枝晶断断续续生长的现象。     

定向凝固晶粒竞争生长的研究进展

竞争生长是材料微观组织演化过程中普遍存在的现象,不同组织间(包括相、枝晶、晶粒等)均可能存在竞争生长,这些竞争作用对最终微观组织的形成及力学性能具有重要影响。不同取向晶粒间的竞争生长控制是材料微观组织调控的重要环节,尤其是对定向单晶叶片的制备,不同取向晶粒间的竞争生长是决定能否成功获得完整单晶结构的关键因素。近年来,一方面单晶材料制备要求的不断提高,迫切需要有关晶粒竞争生长机制及规律方面的理论性指导,另一方面经典晶粒竞争生长理论预测结果与实验观测并不相符,有时甚至可能完全相反,这使得定向凝固过程中不同取向晶粒间的竞争生长问题日益成为一个热门的研究课题。本文首先回顾了Walton-Chalmers模型的晶粒竞争生长机制及其所受到的严重挑战,然后分别对定向凝固二维条件下汇聚生长和发散生长及三维条件下晶粒竞争生长的研究现状进行了述评,并介绍了本课题组近年来基于相场法数值模拟在定向凝固晶粒竞争生长研究方面的工作进展,最后对定向凝固过程中不同取向晶粒之间的竞争生长研究进行了总结与展望。     

单晶高温合金定向凝固过程中晶体竞争生长观察

本文选用镍基单晶高温合金，用籽晶法控制各晶粒的晶体取向，进行了多晶组合的竞争生长实验，模拟了定向凝固中不同晶体取向晶粒间的生长过程与竞争规律，结果表明：晶粒的竞争生长过程取决于晶粒的相对取向关系及其与热流方向的夹角，择优生长方向与热流方向最接近的晶粒将淘汰其它晶粒并逐渐占据整个试样截面，当两个晶粒的择优生长方向都与热流方向不平行且大发散角方式组合时，两晶粒间可出现第三个晶粒并最最终扩展至整个试样截     

金属凝固微观组织形成的数值模拟

依据金属凝固的基本理论,在Oldfield的连续形核和晶粒长大模型基础上,引入了时间因子,运用随机方法,建立了连续冷却条件下形核和生长的随机模型,使形核和生长模型函数与时间直接相关,反映了连续冷却条件下的金属凝固微观组织的演化过程。基于上述模型,编制了计算模拟程序,模拟了Zn-5Al共晶合金微观组织的凝固过程,并用试验结果对模拟结果进行了验证对比,模拟结果与试验结果基本相符。     

1种新的模拟铝合金铸态组织的随机性方法

采用1种新的随机性模拟方法并与宏观传热过程相耦合，对铝合金的微观组织进行了模拟研究。计算中采用了简化的枝晶形状。建立了简化的枝晶形状的物理与数学模型，并提出了1种形状函数来描述晶粒的外部轮廓。基于简化的晶粒形状，采用坐标变换技术来描述过冷液相中晶粒的生长过程及其对周围节点的捕获过程。连续形核模型被用来处理异质形核现象，在生长模型中则考虑了枝晶尖端生长动力学和择优生长方向。开发了等轴晶生长的模拟程序，并进行了二维计算。进行了浇注金属型和砂型试样的模拟验证实验。结果表明，对两种不同的工艺，所得到的晶粒组织不同，金属型铸造时得到的晶粒尺寸较小，砂型铸造的较大。模拟结果与金相观察结果相符。     

定向凝固过程中镍基高温合金铸件的枝晶生长模拟（英文）

提高铸件的性能需要对其凝固过程中枝晶的生长深入了解,为此,采用数值模拟方法对定向凝固(DS)过程中枝晶的生长进行详细研究。考虑溶质扩散并耦合宏观温度场建立预测枝晶生长的多尺度模型。采用定向凝固实验验证模型的准确性,冷却曲线以及晶粒形貌的实验结果和模拟结果吻合较好。采用所建立的模型模拟枝晶的竞争生长,讨论分析具有不同结晶取向角枝晶的竞争生长行为。随后,采用模拟和实验的方法对三维枝晶的生长进行研究,模拟和实验结果吻合较好。通过3个不同的算例研究初始形核数对枝晶生长的影响。研究表明:初始形核数对柱状晶起始阶段的生长影响较大,对铸件最终的枝晶形貌和一次枝晶臂间距(PDAS)影响较小。     

真空自耗电弧熔炼γ-TiAl合金铸锭凝固组织模拟

采用CAFE模型对真空自耗电弧熔炼γ-TiA1合金铸锭凝固组织进行了数值模拟,在CAFE模型中分别采用高斯分布连续形核模型和扩展KGT模型描述晶粒形核和枝晶尖端生长速率.研究了熔炼速率、界面传热系数和形核参数对铸锭凝固组织的影响.结果表明,增大熔炼速率或者增大最大形核密度,均有利于促进等轴晶形成,抑制柱状晶晶粒长大;增大平均形核过冷度或者增大界面传热系数,均有利于促进柱状晶的形成和晶粒长大;标准方差过冷度对铸锭凝固组织几乎没有影响.     

Cellular Automaton法模拟铝合金微观组织的形成

采用Cellular Automaton微观模型，在给定冷却曲线的条件下，对铝合金板材凝固过程组织的形成进行了二维数值模拟。采用连续形核的方法处理液态金属的异质形核现象。用CA算法处理晶粒生长过程，考虑了枝晶尖端生长动力学和优先生长方向〈100〉晶向。通过模拟动态再现了凝固过程中晶粒的形核与生长。结果表明，在形核分布参数不变的情况下，随着冷却速度的增加，所得晶粒尺寸增大。     

连续冷却过程中低碳钢奥氏体→铁素体相变的元胞自动机模拟

采用低碳钢连续冷却过程中奥氏体→铁素体相变的元胞自动机模型，模拟了铁素体晶粒形核与生长的全过程，模型中考虑了溶质扩散在相变过程中的作用。在元胞自动机的网格内，晶粒的形核与生长用两个概率的变化来描述它们之间在相变过程中的相互竞争关系，给出了形核与生长的元胞自动机规则。总结了元胞自动机方法解决铁索体晶粒形核与生长问题的过程，并在该模型的基础上分析了冷却速率等因素对于晶粒形核与生长的影响。     

单晶导向叶片凝固过程组织模拟

单晶高温合金铸造工艺影响因素繁多,其微观组织和晶体界面形态严格依赖于晶体生长时所选择的凝固速率和温度梯度.空心导向叶片横向跨距大,壁厚超薄,型腔结构复杂,且缘板、叶冠截面几何突变问题导致温度梯度难于控制.合金散热过程形成晶态的机理复杂,使保证叶片单晶完整性成为熔铸工艺的难点之一.本研究利用ProCAST仿真软件对某高导叶片凝固过程中的温度场与流场进行计算,并应用CAFE模块耦合前者计算结果对合金组织形核生长情况进行宏观模拟.借助实际浇注和测温试验作为参照,计算实际导向叶片组合方案,研究叶片定向凝固过程中的晶粒竞争生长机制和晶粒取向控制方法.模拟结果显示杂晶集中出现在叶片缘板及进、排气边位置.     

γ-TiAl中<110>倾斜晶界断裂行为的分子动力学模拟(英文)

采用分子动力学(MD)方法研究γ-Ti Al合金中<110>对称倾斜界面的断裂行为,模拟在不同温度与应变速率下垂直界面方向的拉伸变形。结果表明:晶粒的相对取向及晶界特定的原子结构是影响位错形核临界应力的两个主要因素。取向差角度大于90°的Σ3(111)109.5°、Σ9(221)141.1°和Σ27(552)148.4°界面,位错在晶界处形核和扩展;取向差角度小于90°的Σ27(115)31.6°和Σ11(113)50.5°界面,无位错在晶界处形核,当应力达到峰值后界面直接断裂。γ-Ti Al双晶的断裂机制为微裂纹在界面处的形核及沿界面扩展;不同取向差界面的区别在于裂纹前端有无塑性区增韧。     

采用CA-FE法模拟双辊连铸纯铝凝固微观组织

使用有限元软件Procast中的元胞自动机-有限元模型,建立了一个模拟双辊连续铸轧纯铝凝固微观组织形成的随机性模型.综合考虑了溶质再分配、界面曲率、晶粒择优生长的作用,基于有限元建立了宏观温度场计算和一个改进的元胞自动机模型.采用基于高斯分布的连续性形核模型,辊面和熔体内部的形核分别采用两种形核分布函数;枝晶尖端生长速度采用与局部过冷度有关的修正KGT模型.利用软件计算结果模拟了不同浇注温度和熔液内部平均形核过冷度对凝固微观组织形成的影响.     

焊缝金属凝固组织元胞自动机模拟

应用元胞自动机方法进行了焊缝金属凝固组织的模拟.所建立的焊缝凝固组织二维元胞自动机模型考虑了晶粒的概率性成核、曲率过冷、温度过冷、成分过冷、潜热的释放、溶质浓度的再分布以及焊接熔池晶粒的联生长大等影响因素.模型在统一网格下分别采用差分法计算温度和溶质的扩散,应用元胞自动机方法模拟晶粒形核及生长.模拟结果能够定性地再现焊缝金属晶粒择优取向与竞争长大机制.结果表明,元胞自动机方法较好地反映了焊缝金属凝固的特点,是焊缝凝固组织模拟的新途径.     

TC4合金焊接熔池微观组织演变的数值模拟与分析

在MATLAB模拟平台上基于CA-FE法(元胞自动机-有限元)结合晶粒的形核与生长理论,建立了TC4钛合金瞬态焊接温度场下熔池内微观组织演变的数值计算模型,基于该模型对焊接瞬态温度场及其作用下的微观组织演变进行了模拟。结果表明:温度场的计算结果符合焊接热过程局部热量集中且高度动态变化的特点,熔池边缘先形核,在温度梯度作用下晶粒以柱状晶的形式向熔池中心生长,最后形成粗大的柱状晶组织,固态相变阶段,熔池内组织迅速转变为α'马氏体。对模拟结果进行验证性实验,模拟结果与实验结果吻合性良好,显示所建数值计算模型可靠性较高。