强迫对流下各相场参数对枝晶生长的影响

基于耦合流场的相场模型,采用有限差分法,研究了各相场参数对纯金属凝固过程中的枝晶生长的影响.结果表明,对流作用下枝晶形貌发生了很大变化,上游枝晶的枝晶臂最长,下游枝晶臂最短,水平方向枝晶臂介于两者之间;过冷度越大,上游及水平方向侧枝越发达;各向异性系数越大,主枝晶枝晶臂越瘦长,二次枝晶间距越小;对流速度越大,上游枝晶生长越快.     

相场法模拟强各向异性作用下二元合金枝晶生长

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,模拟强界面能和界面动力学各向异性下Ni-Cu合金的枝晶生长过程。结果表明:两种各向异性均显著影响枝晶生长,在强界面动力学各向异性下,固相以类矩形方式沿?110?方向生长;在强界面能各向异性及同时存在两种各向异性下,固相以枝晶方式沿?100?方向生长,界面方向不连续,枝晶臂主枝尖端出现棱角。在各向异性强度取值相同情况下,仅有界面能各向异性时,?100?方向枝晶尖端温度梯度大,生长迅速,稳态生长速度比同时存在两种各向异性的大32.26%;仅有界面动力学各向异性时,?100?方向枝晶尖端温度梯度小且溶质浓度高,生长缓慢,稳态生长速度比同时存在两种各向异性的小48.92%。     

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.     

各向异性对过冷熔体中枝晶生长影响的相场法模拟

文中采用二元合金的等温相场模型，通过在相场参数中引入界面能各向异性强度参数，以A1-4．5％Cu合金为例模拟了各向异性强度对二元合金凝固过程的枝晶生长的影响。结果表明：各向异性强度小时，枝晶形貌呈海藻态，随着各向异性强度的增大，枝晶形貌从海藻态向枝晶态转变，主枝不再分叉，成为光滑枝晶，枝晶尖端生长速度增大，曲率半径减小并逐渐趋于定值，同时模拟的结果与经典枝晶生长理论相吻合。     

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。     

对流作用下纯物质枝晶生长的相场法模拟

基于Tong和Beckermann提出的耦合流场和噪声场的相场模型，采用有限差分法对控制方程进行数值模拟求解，得出结论：逆流和顺流侧枝晶将不再对称，逆流侧枝晶尖端生长速度明显比顺流侧枝晶生长速度快，垂直方向几乎不受流动的影响。分析了热噪声、过冷度、对流流速和各向异性强度对枝晶主枝和侧向分支的影响。     

HCP材料强界面能各向异性的相场模型

基于Karma模型和Eggleston修正强界面能各向异性的方法,建立HCP材料的强界面能各向异性相场模型。采用有限差分法对控制方程进行数值求解,模拟研究HCP材料的枝晶生长行为。结果表明：枝晶形貌呈现出明显的六重对称性,界面方向不连续,导致在主枝和侧枝的尖端出现棱角。当界面能的各向异性强度低于临界值（1/35）时,枝晶尖端稳态生长速度随着各向异性强度的增加而增加;当界面能各向异性强度值超过临界值时,尖端稳态生长速度降低0.89%;当进一步增加各向异性强度值时,尖端稳态速度增加且在各向异性强度值为0.04时达到极大值,随后减小。     

晶粒生长中高界面能各向异性的相场模拟

建立了一个能够模拟纯物质的计算有效的相场模型,该模型考虑了强动力学各向异性和高各向异性界面能。采用数值计算模拟了各种程度的各向异性（强动力学和高各向异性界面能）。在界面各向异性系数变化中,平衡晶体形貌从光滑过渡到出现角部,这之间有一临界值。小于临界值时,生长速度随界面能各向系数的增加单调增加;各向异性系数大于临界值时,随界面能各向系数的增加生长速度减小。在过冷度的变化过程中,生长速度从受热扩散控制转变到动力学控制,在热扩散控制时,生长速度随过冷度增加而增加,枝晶尖端半径随温度增加而减小;在动力学控制时生长速度和枝晶尖端半径随过冷度增加而增加,这与传统的微观可解理论认为R^2V=CONSTANT有所违背。     

Fe-C合金等温凝固过程中各向异性对枝晶生长的影响

采用相场法模拟Fe-0.5 mol%C合金的等温凝固过程中不同各向异性系数下枝晶的生长。对比各向异性系数为0.00、0.06和0.08时所对应的枝晶形貌,得出适用于本实验材料的各向异性系数范围为0.00~0.06,并且得出在该范围内随着各向异性系数的增大,枝晶尖端生长速度以类抛物线方式增大,枝晶间距逐渐减小,枝晶尖端曲率半径依次减小。