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.     

基于相场法模拟对流作用下Ni-Cu合金枝晶形貌

利用相场法模拟了不同单向对流及混合对流作用下Ni-Cu合金的枝晶形貌、溶质分布,研究了横向对流及线性流速对定向柱状晶偏转和重熔的影响。结果表明:对流对枝晶形貌、溶质分布影响较大。在不同对流作用下,上游区域枝晶生长较快、二次枝晶臂发达;下游区域枝晶生长受到抑制,横向发育的主枝晶干向上游方向偏转,上游侧和下游侧枝晶间形成了溶质富集区,固-液界面存在较严重的溶质偏析。定向生长中对流作用会加剧柱状枝晶的局部重熔和缩颈断裂,并随着流速的增加,一次枝晶间熔断的二次枝晶逐渐减少,溶质富集程度增加。     

温度和溶质分布对枝晶竞争生长的影响

实时观测了丁二腈-5%乙醇模型合金在定向凝固过程中枝晶的生长过程,研究了温度和溶质分布对枝晶生长形貌的影响.结果表明,两相互竞争生长的枝晶所夹击的枝晶界面上的溶质浓度由于两边枝晶生长时溶质的排泄而不断增大,溶质偏析越来越严重,最终在所夹击的枝晶上形成缩颈;多个枝晶竞争生长时,被夹在中间的枝晶,由于其他枝晶生长过程中凝固潜热的释放,夹击区域温度较高而形成一个成分过冷,使得被夹击的枝晶生长速度较小而出现缩颈.理论分析认为,提高固液界面的液体流动速度,加大温度和溶质浓度分布的不均匀,导致颈缩加剧,这与试验结果吻合.     

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。     

自然对流作用下Al-Si合金凝固过程的组织演变模拟

通过实验观察Al-Si合金的凝固组织,测量枝晶组织的二次枝晶臂间距,并分析温度对凝固组织的影响。在相场模型中引入重力引起的自然对流以预测实验条件下Al-Si合金凝固组织的演变。模拟结果与实验结果吻合良好,验证了本文中提出的模拟方法的可靠性。基于本文的耦合模型,开展一系列不同溶质含量合金柱状晶和等轴晶组织生长的二维和三维模拟,发现合金中溶质含量对凝固组织的演变几乎没有影响,而溶质膨胀系数对枝晶尖端移动速度有显著影响。本文中采用的算法极大地加快计算效率,因此,大规模的数值模拟使难以直接通过同步辐射实验观察的Al-Si合金凝固组织演变过程的研究成为可能。     

Al-Cu合金凝固枝晶生长的数值模拟

基于元胞自动机方法构建了枝晶生长数值模型,并将其应用于Al-Cu二元合金凝固过程的模拟。在该模型中,枝晶尖端生长速度模型基于溶质守恒建立。模拟过程中重点考虑不同冷却速率及形核条件对柱状树枝晶形态与溶质偏析的影响。计算结果表明,凝固过程中溶质易于富集在枝晶臂之间的封闭或半封闭区域。同时,随着冷却速率加大,晶界偏析变得更为显著。形核密度在一定程度上影响着枝晶形态,特别是影响着二次和三次枝晶的生长。     

对流作用下二元合金枝晶生长的相场法模拟

在二元合金相场模型研究的基础上,建立了耦合溶质场和流场的相场模型。采用有限差分法对相场模型进行数值求解,模拟了流场作用下Al-4.5wt%Cu合金凝固过程中的枝晶演化。质量和动量守恒方程采用Simple算法进行求解,解决了因压力带来的求解难题。通过数值模拟研究了强迫对流流速对枝晶生长形貌和溶质场分布情况的影响,并分析了对流速度对上游、下游和法向枝晶主干尖端生长速率和曲率半径的影响。     

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。     

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。     

DD6高温合金定向凝固枝晶生长的数值模拟研究

采用元胞自动机-有限差分(CA-FD)方法对DD6高温合金高速凝固法(HRS,high rapid solidification)定向凝固树枝晶三维生长过程进行模拟研究.建立温度场和溶质场耦合控制的枝晶生长模型,考虑抽拉速率和温度梯度等凝固条件的影响,同时考虑成分过冷、溶质分配系数、晶体择优取向等合金物性参数,模拟研究了枝晶形态的演化过程.模拟结果反映了高温合金树枝晶的竞争生长及形貌特征,描述了凝固过程的溶质分布变化及枝晶间距的动态调整过程.研究工作将模拟结果与实验结果进行了对比,两者吻合良好.模拟能够预测DD6高温合金HRS法定向凝固过程的枝晶形貌及一、二次枝晶间距动态调整过程.     

包晶合金定向凝固过程中的对流效应及带状组织形成机制Ⅱ.理论分析

本文分别利用纯扩散模型、溶质边界层对流模型和强对流Scheil方程对包晶合金定向凝固过程中的带状组织.宏观偏析的形成规律以及对流效应进行系统研究,详细讨论了对流对包晶合金定向凝固过程中带状组织和宏观偏析的影响规律.与Fe-Ni包晶合金定向凝固实验结果进行对比发现,对流强度参数λ在1.7至2之间时溶质边界层对流模型预测结...     

强迫对流影响合金凝固过程枝晶生长的数值模拟

利用耦合溶质场与流场的相场模型,对Al-2.5Cu合金等温凝固时枝晶生长过程进行了模拟.研究了强迫对流、扰动强度及各向异性强度对枝晶生长形貌的影响.结果表明,在流场作用下,枝晶呈非对称性生长,上游的生长速度大于下游;对流影响溶质场的分布,将溶质从上游冲刷到下游,使得上游液相中的浓度低于下游;扰动强度越大,诱发的侧向分枝越多,二次枝晶越发达;各向异性强度越大,枝晶尖端的生长速度越快,曲率半径越小.     

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。     

基于改进元胞自动机方法的强制对流作用下三维枝晶生长的数值模拟

建立了一种改进的元胞自动机模型来模拟熔体对流条件下的二元合金三维枝晶的生长。模型中考虑了界面能各向异性和溶质扩散对固/液界面推移的影响,在同一套网格中耦合求解质量传输和液相流动方程,从而可以模拟溶质扩散和熔体对流之间的相互作用。使用该模型模拟了一定过冷度条件下,强制对流对Al-7%Si(质量分数,下同)合金三维枝晶生长形貌的影响。模拟结果表明,熔体强制对流导致迎流侧尖端溶质富集层减薄,枝晶生长出现了迎流生长现象。将模拟得到的溶质过饱和度与Oseen-Ivantsov解析解进行对比,当流速较大时两者吻合较好。同时模拟了三维和二维强制对流作用下枝晶生长形貌的演化,由于三维条件下对流使得熔体能够绕过垂直于对流方向的一次枝晶臂主干将溶质带到背流侧,而二维条件下只能绕过垂直方向一次臂的尖端,因此三维MCA模型能更准确地反映强制对流对枝晶生长的影响。     

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。     

三元合金凝固过程枝晶生长数值模拟

建立了使用元胞自动机方法结合合金凝固过程动量、能量和质量传输计算三元合金枝晶形貌与偏析发展的数学模型.把该数学模型应用到了Fe-C-Si三元合金凝固过程,枝晶臂的生长、粗化过程,以及枝晶间的微观偏析得到了再现.同时该数学模型也描述了凝固过程熔体流动对Fe-C-Si合金凝固过程枝晶形貌发展的影响.     

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。     

轻压下枝晶变形及溶质分布的试验模拟研究

通过丁二腈-水合金试验类比研究了连铸过程中的轻压下工艺。水冷强度1.2、0.6、0.3mL/s下,分别研究了不同固相分数和不同变形量对枝晶变形及溶质再分布的影响,并用示踪剂进行示踪。结果表明：实施轻压下时,大部分柱状晶发生弯曲变形,不再继续生长,此时二次枝晶和部分等轴晶快速长大;在溶液凝固早期,会形成凝固中心上升,凝固前沿下沉的对流,对凝固前沿进行充分的溶质交换,当这种对流减弱之后才能进行有效的轻压下操作;变形量对溶质分布的影响比较复杂,在变形量逐渐增大的过程中,首先形成负偏析,经过一个偏析为零的阶段后再形成正偏析,且偏析越来越严重,并且位于压下区间不同的区域,影响程度不一样。试验结果对研究轻压下对偏析的改善机理有意义。     

过冷熔体定向凝固过程枝晶生长的相场法模拟

利用二元合金相场模型与溶质场进行耦合计算，以Al-4．5％Cu合金为例模拟了二元合金定向凝固的枝晶生长过程。研究了不同过冷度下二元合金过冷熔体定向凝固时枝晶的演化过程及其溶质场的分布情况。结果表明：利用相场模型可以逼真地模拟枝晶的生长过程，以及界面形貌从平界面向柱状晶生长的转变，可再现枝晶演变过程中相互之间的竞争生长和熔合现象。     

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%。