枝晶凝固过程中的溶质浓度分布模拟

采用元胞自动机方法(cellular automation)对单个枝晶凝固过程中的显微偏析和枝晶形貌进行了模拟，在模拟的过程中，对固相和液相中的溶质传输分别进行了计算，同时考虑到凝固过程中同相分数的变化对溶质传输的影响与文献中通常采用的浓度势方法的计算结果进行对比，模拟结果显示本文使用的计算方法模拟显微偏析过程中波动小、结果更为稳定。     

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。     

Ni-Cr二元合金焊接熔池中柱状枝晶生长模拟

通过构建元胞自动机与有限差分耦合的CA-FD(cellular automaton-finite difference)模型,实现Ni-Cr二元合金焊接熔池柱状枝晶生长过程的模拟,研究熔池边缘柱状晶的生长过程以及该过程中的溶质浓度分布形态.模拟结果再现了焊接熔池中二次、三次枝晶的生长,枝晶间的竞争生长以及晶界偏析等微观现象.基于模拟结果深入分析了焊接熔池中枝晶生长的特点,同时对溶质浓度场进行了定量分析.对模拟结果的分析表明,焊接熔池中枝晶间竞争生长激烈,枝晶形态复杂,枝晶偏析和晶界偏析显著.     

基于计算机模拟的焊缝金属组织凝固过程中枝晶生长分析

模拟焊缝凝固过程的枝晶生长,得到焊接熔池中心柱状晶和等轴晶溶质浓度分布、生长形态。熔池凝固结晶过程中,晶界偏析很大,枝晶竞争生长且相互作用。采用元胞自动机方法模拟枝晶生长可行,但仍需考虑多方面因素,并且在熔池内复杂多角度枝晶状态方面做更细致和深入的研究。     

CA-LBM模型模拟Al-4.7%Cu固溶体合金成分分布和枝晶形貌

建立了耦合温度场、流场、溶质场的CA-LBM(元胞自动机-格子玻尔兹曼方法)数值模型,并用该模型研究了Al-4.7%Cu固溶体合金的凝固过程。模拟结果验证了模型的合理性,再现了合金凝固过程中的枝晶形貌和溶质偏析,并定量研究了自然对流、初始温度对溶质分布和微观组织的影响。研究表明,自然对流对枝晶形貌有明显的影响,使枝晶生长非对称化,即迎流方向的枝晶生长得到促进,顺流方向的枝晶生长受到抑制。初始温度对凝固进程和枝晶形貌影响较大,降低初始温度,枝晶生长加快且产生了二次枝晶,并造成枝晶尖端固液界面处溶质浓度偏高,加重了溶质偏析。     

来流对Al-Cu合金三维树枝晶生长的影响

建立了模拟二元合金树枝晶生长的三维元胞自动机模型,以Al-4%Cu(质量分数)为模型合金,模拟了合金过冷熔体中树枝晶的生长过程,研究了来流对枝晶生长的影响.结果表明,来流对合金过冷熔体中三维树枝晶生长影响显著,迎流侧枝晶尖端生长速度随来流速度的增大而增大,枝晶尖端半径随来流速度的增大而减小;随着来流速度的增大,枝晶尖端选择参数减小;在给定过冷度条件下,随界面能各向异性的增大,来流对枝晶尖端选择参数的影响增强;对于给定的合金(或界面能各向异性),来流对枝晶尖端选择参数的影响随着过冷度的增大而增强.     

来流作用下Al-Cu合金枝晶生长的数值模拟

应用三维元胞自动机模型,耦合求解三维流场控制方程,模拟了来流对Al-Cu合金三维树枝晶生长的影响.结果表明,在来流作用下,背流侧二次枝晶受到抑制,迎流侧二次枝晶发达,枝晶尖端生长速度随来流速度增大而增大,枝晶尖端半径随来流速度增大而减小;与来流方向垂直的枝晶向迎流方向偏转,枝晶尖端来流与背流两侧呈不对称性,随着来流速度增大枝晶尖端不对称性增强.迎流侧枝晶尖端Péclet数随着来流速度的增大而增大.     

元胞自动机法模拟铝合金三维枝晶生长

以元胞自动机模型为基础,基于晶粒形核和生长的物理过程及热质传输过程,建立了铝合金凝固过程微观组织形成及枝晶形貌演化的三维元胞自动机模型.与传统的元胞自动机不同,该模型不仅考虑了温度场扩散而且考虑了固液相中的溶质扩散、曲率过冷等重要因素.枝晶尖端生长速度与局部过冷度的关系采用KGT(Kurz-Giovanola-Trivedi)模型,温度场和浓度场计算采用有限差分法.使用该模型模拟了单晶生长和多晶生长.模拟结果表明,所建立的模型能够合理反映质点形核、单晶粒生长和多晶粒生长,微观组织形貌的模拟计算结果合理.     

Fe-C合金焊接熔池凝固过程CET转变的数值模拟

基于元胞自动机方法建立了枝晶生长的数值模型,应用该模型模拟了Fe-C合金焊接熔池凝固期间柱状晶向等轴晶(CET)转变过程中枝晶生长形貌与溶质浓度分布状况. 模拟过程主要考虑不同扰动振幅和冷却速率对柱状晶向等轴晶转变的影响. 结果表明,随着时间步长增大,晶粒数逐渐增多,最终趋于稳定值;当冷却速率增加时,生长速度增大,枝晶生长的越充分,显微偏析越严重,而CET转变所需时间越短;当扰动振幅增大时,一次枝晶生长的越细,二次、三次枝晶竞争越激烈.     

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.     

Dendritic grain growth simulation in weld pool of nickel base alloy

Dendritic grain growth at the edge of the weld pool is simulated using a stochastic numerical model of cellular automaton algorithm. The grain growth model is established based upon the balance of solute in the solid/liquid interface of the dendrite tip. Considering the complicated nucleation condition and competitive growth, the dendrite morphologies of different nucleation condition are simulated. The simulated results reproduced the dendrite grain evolution process at the edge of the weld pool. It is indicated that the nucleation condition is an important factor influencing the grain morphologies especially the morphologies of secondary and tertiary arms.     

基于宏微观耦合三维模型的铝合金凝固模拟

采用一种宏微观耦合模型对铝合金的凝固情况进行了模拟。该模型结合了元胞自动机法与有限差分法,与传统的元胞自动机模型不同,该模型不仅考虑了温度场扩散而且考虑了固-液相中的溶质扩散、曲率过冷等因素。枝晶尖端生长速度与局部过冷度的关系采用KGT(Kurz-Giovanola-Trivedi)模型,温度场和浓度场计算采用有限差分法。模型中采用大小两套网格分别进行宏观温度场和微观组织演变的计算,极大地提高了计算效率。利用该模型模拟了铝合金微观多晶生长,以及铝合金在金属模具中的凝固情况,获得了3种不同浇注温度下典型的柱状晶向等轴晶转变的三维图形。     

用宏微观耦合模型模拟铝合金凝固过程

用一种宏微观耦合模型对Al-2．5Si在金属型中的凝固情况进行了模拟。该模型结合改进的元胞自动机模型与有限差分法，考虑了温度场、浓度场和微观生长过程。该改进的元胞自动机模型与经典元胞自动机相比较，不仅考虑了温度场扩散，而且考虑了溶质在液相中的扩散、界面曲率和溶质富集对枝晶尖端过冷度的影响。在宏微观耦合模型中采用大小两套网格分别进行宏观温度场和微观组织演变的计算。在3种不同的浇注温度下得到了3种典型的柱状晶向等轴晶转变的图形。考虑边界条件后的模拟结果发现等轴晶的形核情况与理论分析有所差别。     

Numerical simulation of dendrite growth in Ni-based superalloy casting during directional solidification process

An understanding of dendrite growth is required in order to improve the properties of castings. For this reason, cellular automaton?finite difference (CA?FD) method was used to investigate the dendrite growth during directional solidification (DS) process. The solute diffusion model combined with macro temperature field model was established for predicting the dendrite growth behavior. Model validation was performed by the DS experiment, and the cooling curves and grain structures obtained by the experiment presented a reasonable agreement with the simulation results. The competitive growth of dendrites was also simulated by the proposed model, and the competitive behavior of dendrites with different misalignment angles was also discussed in detail. Subsequently, 3D dendrites growth was also investigated by experiment and simulation, and both were in good accordance. The influence on dendrites growth of initial nucleus was investigated by three simulation cases, and the results showed that the initial nuclei just had an effect on the initial growth stage of columnar dendrites, but had little influence on the final dendritic morphology and the primary dendrite arm spacing.     

A three-dimensional cellular automaton model of dendrite growth with stochastic orientation during the solidification in the molten pool of binary alloy

A three-dimensional (3D) cellular automaton model is developed for the prediction of dendrite growth with stochastic orientation during solidification process in the molten pool of binary alloy. An angle-information transfer method is proposed for improving cellular automaton technique to simulate the growth of the dendrites whose preferred growth direction owns stochastic misorientation with respect to the direction of the coordinate system. Dendrite morphologies and solute distributions of single dendrite growth and multi-dendrite growth are able to be obtained by the simulation using present model. The model is also employed to study the difference between two-dimensional simulation and 3D simulation on solute segregation and dendritic growth. Using the established model, 3D multi-columnar dendrites with stochastic crystallographic orientations can be obtained efficiently, and the competitive growth and impinging of dendrites can be reproduced in practice. The simulation results agree well with the experimental results.     

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.     

三维枝晶生长数值模拟及实验验证(英文)

建立了用于模拟立方晶系合金三维枝晶生长的改进元胞自动机模型。该模型将枝晶尖端生长速率、界面曲率和界面能各向异性的二维方程扩展到三维直角坐标系,从而能够描述三维枝晶生长形貌演化。应用本模型模拟在确定温度梯度和抽拉速度条件下三维柱状晶生长过程的一次臂间距调整机制和不同择优取向柱状晶之间的竞争生长。使用NH4Cl?H2O透明合金进行凝固实验,模拟结果和实验结果吻合较好。     

Simulation of Grain Growth during Solidification of Twin-Roll Continuously Cast Pure Aluminum with a Modified CA Model

基于枝晶生长的基本传输过程和元胞自动机(Cellular Automaton,简称CA)-有限元(Finite Element,简称FE)模型基本原理,建立了适应双辊连续铸轧纯铝薄带工艺特点的凝固过程形核和晶体生长的数学模型。模型耦合了宏观温度场和微观组织模拟计算,考虑了溶质扩散、曲率过冷和潜热释放等重要因素的影响,能够模拟凝固过程中枝晶生长的形态。应用本模型对双辊连续铸轧纯铝薄带凝固过程中等轴晶生长、等轴晶多晶粒生长及柱状晶生长、柱状晶向等轴晶演化进行模拟并与实验结果进行对比,模拟结果与实验结果吻合较好     

用相场法模拟纯铝的枝晶生长

利用相场法微观组织数值模拟技术,对纯铝物质的枝晶生长过程进行了仿真.研究了初始晶核半径、空间步长和各向异性对纯铝枝晶生长的影响.通过计算结果表明,在保证初始晶核半径不被熔化前提下,初始晶核半径不影响枝晶形貌;空间步长取值应在0.2d0～0.6d0范围内;各向异性趋于增大枝晶尖端生长速度,减小枝晶尖端半径.     

用颗粒推移模型模拟Al-Si/SiCp复合材料微观组织

对搅拌铸造法制备SiC颗粒（SiCp）增强Al-7．0%Si（质量分数）复合材料的微观组织形成过程进行了模拟研究，建立了常规凝固条件下相应的宏观传热、等轴枝晶形核生长以及颗粒推移的二维计算模型，采用一种改进的CA（cellular automaton）方法与有限差分法耦合进行数值计算，研究了不同铸造方式对复合材料微观组织以及颗粒分布的影响．为了验证模拟结果，浇注了阶梯形金属型和砂型试样、结果表明，模拟得到的复合材料颗粒分布及微观组织与实验结果吻合良好．