枝晶生长的稳态理论新进展

本文从自由生长和强制生长两个方面着重评述了单相合金枝晶生长的稳态理论新进展。发现稳态理论近年来有两个重要的进展，一是比较好地解决了自由生长枝晶尖端的稳态扩散场问题；另一是理论分析和实验研究的结果都表明，强制生长枝晶一次间距选择一个较宽的容许范围，平均一次间距在这个范围内的具体取值与凝固系统所经历的历史明显相关     

深过冷Ni-Cu-Si合金熔体中的快速枝晶生长

为了揭示多元合金中的枝晶生长规律,采用电磁悬浮技术实现了Ni-10%Cu-10%Si三元合金的深过冷与快速凝固,实验中合金熔体获得的最大过冷度为236K。对合金快速凝固过程中初生相-αNi的枝晶生长速度测定结果表明,其与过冷度之间存在幂函数关系:V=1.6×10-13ΔT5.7。当ΔT较小时,随着ΔT的增加V增加缓慢,当ΔT较大时,随着ΔT的增加V迅速增加。对比分析表明,溶质Si对-αNi枝晶的生长影响显著,而溶质Cu则几乎没有影响。随着过冷度的增加,未发现-αNi相的微观形态从枝晶向等轴晶转变,但-αNi晶粒尺寸均随着过冷度的增加而急剧细化。     

用相场方法模拟镍的枝晶生长

采用相场模型,计算了纯镍的过冷溶液在凝固过程中的枝晶生长。在相场方程中,采用均匀网格的一般显示有限差分方法求解,通过数值模拟显示了枝晶的形貌,包括一次臂、二次臂,以及在枝晶生长过程中出现的“缩颈”现象。     

金属凝固过程枝晶生长相场法模拟研究进展

近年来,相场法发展迅速,在许多方面得到了应用。本文主要介绍了相场法的发展进程,并对比分析了凝固相场中三种典型的相场模型(WBM模型、Karma模型和KKS模型)。在此基础上,简要概括了凝固相场方法的国内外研究现状,并对相场法今后的发展趋势进行了展望。     

胞晶／枝晶列生长理论模型

胞晶／枝晶生长问题是凝固领域的经典问题之一，引科学家半个多世纪的研究兴趣，然而，由于所涉及问题的复杂性，直到人们才开始逐渐认清这一问题的本质。综述胞晶／枝晶生长的演变过程，并将其发展过程划分为三个不同的阶段。着重介绍由Ｈｕｎｔ等近期开发的胞晶、枝晶生长数值模型；阐明该模型是目前能较成功地描述胞晶／枝晶生长过程的理论模型。     

电场作用下的枝晶间距

本文提出了在直流电场作用下一次枝晶间距Z_1和最初形成的二次枝晶间距Z_(20)的理论表达式,并在定向凝固条件下用Sn—12％Bi合金进行了实验验证。实验与理论得到了定性的吻合。对Z_1,理论值比实验值大一些,对Z_(20),理论值则比实验值小一些。分析表明,这是由于所选物性值不准确造成的。     

非稳态过程与凝固界面形态选择

以透明模型合金丁二腈－乙醇系为实验系统，直接观察其单相凝固过程中界面形态的非稳态演化过程，从三个方面：①平胞转变②胞枝转变③枝晶一次间距，系统地考察了凝固界面形态选择的时间相关性和历史相关性。结果表明：①导出了凝固初始过渡区溶质再分配的一个新公式；②提出了确定平界面稳定性临界条件的可测判据和实验方法；③从实验上和理论上解释了胞枝转变行为；④揭示了枝晶一次间距的历史相关性；⑤发现凝固形态选择的历史相     

流体受迫流动下的柱状枝晶非对称生长

本文对Ｃｒ２５－Ｎｉ２０不锈钢在受迫流动条件下的柱状枝晶生长行为作了研究，结果表明，流体的定向受迫流对柱状枝晶的形貌影响很大，柱状枝晶的一次枝晶主干相互平等且明显细化，而柱状枝晶迎流侧的二次分枝较背流一侧发达，两侧的二次分枝呈不对称生长，但二次分枝始终垂直于一次枝晶主干，受迫流动造成柱状枝晶两侧温度分布的不均匀，是产生柱状枝晶不对称生长的主要原因。     

Al-4％Cu合金定向凝固枝晶／胞晶转变速率的研究

通过实验和理论对比研究Al-4%(质量分数)Cu合金定向凝固胞晶/枝晶转变过程,得到胞晶/枝晶转变发生在尖端半径变化的拐点处。采用KGT模型与非平衡效应研究与胞晶/枝晶转变过程相对应的高速枝晶/胞晶转变特征。结果表明:尖端半径和界面温度均随抽拉速率的增加而减小,到达临界值后又急速增大。枝晶/胞晶转变发生在尖端半径和界面温度的拐点处,即在尖端半径和界面温度最小时发生转变;溶质截留在枝晶/胞晶转变过程中作用明显,大大减小了微观偏析。     

高温合金定向凝固过程中枝晶生长与溶质对流数值模拟

目的 针对高温合金叶片在定向凝固过程中容易出现雀斑缺陷,从而导致叶片报废的问题,对定向凝固枝晶生长与溶质对流进行模拟研究,以揭示雀斑缺陷的形成规律。方法 针对CM247LC合金定向凝固过程,采用相场模型模拟凝固过程枝晶生长,采用格子Boltzmann模型模拟溶质浓度差引起的自然对流。采用基于双重网格的GPU并行算法对相场-格子Boltzmann模型进行数值求解。研究在不同晶体取向角度与取向差条件下的枝晶形貌、对流速度及溶质羽流的演变规律。结果 当晶体取向角度不同时,在枝晶生长过程中,液相区域的平均对流速度均表现为周期性变化。当晶体取向角度较大时,随着晶体取向角度的变大,一次枝晶臂间距变大。当枝晶间存在晶体取向差时,溶质羽流倾向于在发散型晶界附近发起;随着晶体取向差的增大,溶质羽流发起时间提前。溶质羽流的形成阻碍了枝晶尖端及附近枝晶侧臂的生长。结论 晶体取向角度对溶质羽流形成的影响较小,较大的晶体取向差对溶质羽流的形成有促进作用。     

凝固过程中枝晶组织形貌演变模拟进展

详细地介绍了近年来在凝固组织模拟上取得的进展,并介绍了在组织模拟中所选用的各种模拟方法,逐个分析了各种方法的优势与不足,进而提出凝固组织的发展方向,即朝着大规模、多尺度方向发展,使得组织模拟能够逐步与实际结合起来.     

强制对流作用下多枝晶生长的相场法研究

采用耦合溶质场、温度场和流场的相场模型,对Ni-Cu合金凝固过程中多枝晶生长进行模拟,研究了多枝晶生长形貌及温度场和溶质场分布.结果表明:熔体流动显著改变凝固前沿的传热和传质,从而影响枝晶生长.受过冷熔体冲刷,枝晶逆流侧前沿溶质浓度和温度低,枝晶臂尖端生长迅速;枝晶顺流侧前沿溶质浓度和温度高,枝晶臂尖端生长缓慢.在熔体...     

面向可充电电池的锂金属负极的枝晶生长:理论基础、影响因素和抑制方法

在全球能源与环境问题日趋紧迫的大背景下,可再生能源的获取与利用途径及高效安全的储能技术的研发一直是工业界和科学界关注的热点之一。锂离子二次电池作为能量存储器件,拥有高比能量、长循环寿命等优点,近十几年来其研究取得了长足进展,并在各类便携式电子设备和电动交通工具中获得了广泛应用。然而,随着各种高性能设备的不断涌现,商业化的锂离子电池越来越难以满足其在能量密度、循环稳定性和安全性等方面的要求。为了进一步提高锂离子电池的能量密度,需要开发出高比容量的负极材料(硅、锡和锂等)以取代传统石墨负极。硅、锡等新式负极材料通过与锂离子反应形成含锂化合物的原理来存储与释放锂离子,完成电池的一个充放电过程。这个过程往往伴随着负极材料体积的剧烈变化,经历较长时间循环使用后会导致负极材料的粉化甚至从集流体上剥离,引起电池容量迅速衰减甚至失效。而锂负极通过锂在负极上的溶解和沉积来完成电池的充放电过程,该过程不存在反应相变所导致的体积变化。另外,锂金属负极材料具有极高的质量比容量(3 860mAh/g)、低密度(0.59g/cm3)和低的还原电位(-3.04V,相比于氢标准电极),被认为是一种理想的可充电电池负极材料。然而,锂的枝晶生长、锂金属电池低的库伦效率和锂的无主体沉积引起的体积膨胀等一些关键问题长期以来制约着锂负极的商业应用。锂的每次沉积都会产生枝晶,在充放电循环中,锂枝晶会导致电池内部短路甚至发生爆炸,带来严重的安全问题。除此之外,锂枝晶还会增加负极表面积,新暴露的锂金属会与电解液反应生成固态电解质膜(Solid electrolyte interface,SEI),这会损耗活性材料以及降低电池的库伦效率。为了解决以上问题,研究者们对锂金属电极进行了许多探索,尤其是在锂枝晶生长的机理及其抑制方法方面。一些理论模型如扩散模型、SEI保护模型、电荷诱导生长模型和薄膜生长模型等,以及与这些模型相对应的一些抑制方法如均匀锂离子流法、SEI膜保护法、稳定沉积主体法和静电屏蔽保护法等被提出。这些抑制方法能够在一定程度上缓解锂枝晶的生长问题,但都未能达到商业化应用的要求。本文总结了近几年研究人员针对锂离子电池锂金属负极的一些重要研究,系统地介绍了业内较为认同的枝晶生长模型和影响因素,并着重叙述了抑制枝晶生长的方法及成效,最后就锂金属负极将来的研究方向给出一些建议。     

单相合金快速凝固组织形成原理及应用

回顾了固液界面形态稳定性理论,分析了单相合金快速凝固组织形成的原理,最后介绍了快速凝固技术的最新应用。     

根据枝晶优先生长方向计算铸造合金的晶体位向

根据枝晶优先生长方向与磨面之间的几何关系，导出了铸造合金试样任意三个相交磨面的晶面数算式，并创建了两个含有不同算式的电子表格，分别可实现晶体位向及定向切割所需夹角的自动计算，使晶体位向的测算比常用的Ｘ射线Ｌａｕｅ背射法简单、代价低、效率高。实例验算并通过与Ｘ射线Ｌａｕｅ背射法测定结果及其它有关数据的比较分析表明，本文建立的方法计算结果可靠。     

相场方法模拟氙枝晶生长研究

基于相场方法对纯物质的凝固过程进行了二维数值模拟.以氙为例,展示了界面形貌的演化过程,研究了相场参数对枝晶界面形貌的影响.结果表明,随着过冷度值的增加,晶核由一圆核逐渐发展为发达的枝晶,相应的枝晶稳态尖端速度明显加快;随着耦合系数的增大,晶核由一圆核发展为细长的枝晶,枝晶的稳态尖端速度呈单调递增趋势,界面的稳定性逐渐变差.     

金属镍枝晶电沉积的二维生长

将分形几何与电化学原理相结合,编程模拟了点阴极和点阳极电沉积中枝晶的分形生长。采用圆形电解池点阴极电沉积和点阳极射流电沉积的方法分别制备了不同浓度下的金属镍枝晶,并与模拟结果进行比较,结果表明,点阴极电沉积和点阳极射流电沉积中的枝晶均是分形生长的;电解质浓度的变化对枝晶生长形态的影响与模拟的结果具有极好的相似性,模拟结果是可以对点阴极和点阳极电沉积中枝晶的生长机理进行正确表述的,同时发现,气泡对枝晶的生长形貌影响显著。     

强磁场对Al-7%Si合金凝固过程中初生α-Al枝晶分布的影响

采用超导强磁场装置研究了磁场强度对有、无细化剂颗粒Al-7%Si(质量分数)合金凝固组织的作用效果。研究发现,施加强磁场使无细化剂颗粒合金中的初生α-Al枝晶转变为发达枝晶形貌,二次枝晶生长充分,三次枝晶分支明显,枝晶尖端清晰可见;晶粒细化,且枝晶主轴与磁场方向呈30°规则排列。施加强磁场后初生α-Al枝晶数量和Si在α-Al中的溶解度都有少量增加。强磁场抑制添加细化剂合金熔体中的对流,加剧了Ti的重力偏析,使初生α-Al相出现明显枝晶化趋势,方向性增强,枝晶臂粗化明显。     

相场法模拟Zn-Al二元合金凝固过程中的枝晶生长

建立了与温度场和溶质场相耦合的 Zn-Al 二元合金枝晶生长的相场模型,用相场法模拟了枝晶形貌及生长过程。通过分析得到的图像,研究了各向异性强度系数、界面动力学系数以及界面能对枝晶生长形貌和枝晶尖端生长速度的影响。结果表明：随着各向异性强度系数的增大,枝晶生长速率增加,且容易出现二次支臂。此外,界面动力学系数和界面能的增大也会不同程度地加速枝晶生长速率并对二次支臂的产生有着较为明显的促进作用。     

凝固方向对单晶高温合金枝晶组织的影响

用籽晶法制备了沿不同晶体取向凝同的镍基单晶高温合金试样,研究了单晶中枝晶形貌和一次枝晶臂距随凝固取向的变化规律.结果表明:凝同方向偏离[001]取向小于15°时,枝晶排列比较规则,一次枝晶臂距随偏离角度增大而减小;偏离角度为25°时,部分二次枝晶臂阻断了相邻一次枝晶干的生长,导致一次枝晶臂距增大.沿[011]和[111...