共晶形貌选择及界面失稳的多相场模拟

采用KKSM多相场模型,研究了低速下定向凝固CBr4-C2Cl6薄试样的层片共晶界面失稳及形貌选择．多相场模拟结果真实再现了3种共晶层片界面失稳模式及其形貌选择的演化过程,随着初始层片间距的不断增加,其形貌选择变化依次为：层片湮没→稳态生长→1λO不稳定性→2λO不稳定性→层片分叉与形核．模拟结果不仅与理论计算的形貌选择图相符,而且与实验结果定性一致．     

共晶变速生长的多相场模拟

利用多相场模型,模拟了CBr4-C2Cl6共晶合金定向凝固稳态生长及非稳态变速生长过程.稳态生长模拟结果与Jackson-Hunt共晶理论描述一致,验证了模型的可靠性.非稳态变速生长模拟表明:阶跃增速或减速时,片层间距的调整分别通过突变分叉、或逐步湮没与合并以及自身相的长大方式进行,两者片层间距的选择过程表现为强烈的非对称性;相对于阶跃时刻,片层间距调整、界面平均生长速率与平均过冷度的变化均具有滞后性.     

多相场法研究层片厚度对三维共晶层片生长的影响

利用KKSO多相场模型,研究CBr4-C2Cl6过共晶合金,当层片间距为4.1μm时,层片厚度对三维共晶层片生长过程的影响。研究表明层片厚度对三维共晶层片生长影响显著,厚度效应有可能导致层片取向的垂直偏转和倾斜偏转。层片厚度比较小时,共晶层片以类似于二维的1λ振荡形式生长;当层片厚度大于6.4μm以后,层片开始偏转,并最终在横截面上垂直于初始层片方向;层片厚度在8.6～14.2μm之间取值时,在横截面内层片发生倾斜;之后,出现Z字形分叉,进一步增加层片厚度值至18.2μm时,共晶层片又发生垂直偏转。     

二元共晶定向凝固的多相场法数值模拟

借助于多相场模型,利用移动盒算法模拟了小Peclet数下二元共晶模型合金的定向凝固过程.同时研究了共晶生长层片间距调整机制.模拟结果表明:当初始层片间距小于最小过冷层片间距时,层片调整通过两相的竞争生长与层片湮没进行;相反,当初始层片间距大于最小过冷理论时,层尖的形核分叉生长使层片生长趋于稳定;再现了共晶1λ振荡不稳定性生长,通过分析局部动力学得出1λ振荡不稳定性生长原因为溶质再分配与共晶两相的体积调整.     

对Al-Cu合金中α-Al及Al2Cu生长行为的探讨

研究了Al-Cu合金中α-Al和Al2Cu的生长行为,分析了初生α-Al及初生Al2Cu作为共晶核心形核的能力.结果发现,在过共晶组织中,初生相Al2Cu形貌大部分有明显的拐角,观察其平面有的呈矩形,呈现小面生长特性.而α-Al与Al2Cu共晶生长时,Al2Cu择优生长特征削弱,与α-Al耦合生长呈现非小面-非小面生长,表明Al2Cu在不同的生长阶段表现出的生长行为不同.在亚共晶组织中,初生相α-Al周围形成离异共晶的Al2Cu,而过共晶组织中初生相Al2Cu周围没有离异共晶的α-Al,表明初生相Al2Cu作为共晶层片核心的能力比初生相α-Al作为共晶层片核心的能力强.     

共晶和包晶合金定向凝固过程中共生生长的形态稳定性

近年来对共晶合金共生(耦合)生长形态稳定性的研究取得了一系列重要的成果。这些成果主要包括:片层共晶共生生长在最小过冷度下的超稳定性、片层共晶共生生长的Z字形分叉、熔体流动及非线性动力学对共生生长形态稳定性的影响等。在此基础上人们又开始关注包晶合金定向凝固中的稳态共生生长及其形态稳定性。综述了这些研究成果,并对其发展方向进行了探讨。     

定向凝固共晶生长的元胞自动机数值模拟

本文在已有的二元初生相元胞自动机（CA）方法的基础上,针对二元共晶凝固过程提出了改进的元胞自动机（MCA）模型.该模型考虑成分过冷和曲率过冷对界面形态的影响,通过界面溶质浓度守恒来获得共晶α相和β相生长速率,模拟了层片的湮灭、分叉与稳态生长.为了验证模型的可靠性,对常见的CBr₄-C₂Cl₆共晶透明合金进行了模拟,研究了抽拉速率对共晶层片间距大小的影响,模拟结果与文献中的实验结果吻合良好;同时模拟了共晶层片间距调整过程的形貌演化以及层片振荡不稳定性现象.本文将MCA模型扩展到三维定向凝固过程中,研究了共晶形态的层棒状转变机制.     

溶质扩散控制层片共晶生长

基于平界面溶质扩散假设,改进界面物质守恒边界条件求得了层片共晶稳态生长的溶质边界层.结果表明,层片共晶组织生长过程中沿生长方向的溶质边界层与沿界面方向的溶质边界层相关.对CBr4-C2Cl6透明合金系的分析表明,共晶合金层片组织生长过程中界面处液、固相平均成分的差值随凝固速率增大而增大.合金成分偏离共晶成分时,界面处液相平均成分与共晶成分非常接近.在给定的凝固速率下,共晶相界面处液、固相平均成分差值与层片宽度的比值随合金成分的不同而不同.     

旋转磁场驱使强迫流对Sn-Bi合金微观结构的影响

以Sn-Bi合金为研究对象,分析了旋转磁场对凝固组织的影响.发现旋转磁场能够消除宏观偏析、碎断枝晶和细化凝固组织,加快了熔体流动和固-液界面溶质的扩散速度,使共晶组织的层片间距变小及形成区域差别.同时,随着磁场旋转频率的增大,合金的生长形态经历了从枝晶→等轴晶→球状晶→枝晶的转变.枝晶碎断、生长形态的改变以及共晶组织层片间距变化的主要原因在于,旋转磁场加快了熔体流动,造成熔体中溶质场和温度场在分布上趋于均匀化.同时,电导率的不同造成了初生相与液体的相对运动.宏观偏析的消除是由于初生相同时受到重力、浮力和Lorentz力的合力作用的结果.分析了旋转磁场对凝固组织改变的物理机制.     

Al—CuAl2共晶层片间距的数值模拟

本文根据层片状共晶生长理论,利用时间相关模型对存在对流作用的Ａｌ－ＣｕＡｌ２共晶层片间距进行数值求解。