用相场方法模拟纯物质的枝晶生长

相场方法以Ginzburg Landau相变理论为基础，通过微分方程反应扩散、有序化势及热力学驱动力的综合作用。本文采用相场模型模拟了纯物质凝固过程的等轴枝晶的演化和枝晶的形貌，并针对金属镍进行了二维数值模拟，计算了过冷熔液中的枝晶生长。在相场方程中采用均匀网格的显示有限差分方法求解。模拟结果显示了枝晶的形貌和生长过程．包括一次臂和二次臂，以及枝晶生长过程中出现的生长竞争和“缩颈”现象。     

相场法模拟铝合金凝固过程的枝晶演变

本文基于Ginzberg-Landau理论,发展了一个改进的二元合金相场模型.并利用该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等温凝固的枝晶演变过程.实现了逼真地模拟二元合金凝固过程的等轴枝晶演变,得到了二次或更高次晶臂生长等复杂的枝晶形貌.溶质场分布由枝晶生长过程所决定,枝晶初生晶臂中心的溶质浓度最低,在被二次晶臂包围的界面区域的溶质浓度最高;固溶界面区域具有较大的溶度梯度,其中枝晶尖端的梯度最大.相场法模拟计算得到的Peclet数的值与Lvantsov理论计算值吻合较好,从而验证计算结果的正确性.     

相场法模拟热耦合强度对纯Ni枝晶生长的影响

基于Karma的薄界面极限相场模型,研究了相场和温度场耦合强度对过冷纯Ni熔体中枝晶生长行为的影响。模拟结果表明:随着热耦合强度的减弱,相场受温度场的影响作用减弱,固-液相界面前沿扰动变大,主枝出现二次枝晶并逐渐发达粗化,其粗化方式由缩颈熔断向枝晶臂合并方式转变。同时,枝晶尖端的生长速率增大、曲率半径减小。瞬态过程中枝晶尖端生长速度大于稳态生长速度,随着生长过程的进行,枝晶尖端生长速度逐渐降低,直至达到稳态值,计算结果与微观可解理论吻合良好。     

对流下二元合金等温凝固过程的相场模拟

采用耦合流场的相场模型,以Ni-Cu合金为对象模拟金属在等温状态下的枝晶生长,并研究对流速度对枝晶生长及溶质分布的影响.实验结果表明,对流作用下枝晶形貌发生很大变化,上游枝晶臂最长,下游枝晶臂最短,水平方向枝晶臂介于两者之间;对流速度越高,生长peclet数及上游枝晶尖端生长速率也越大,并且枝晶的二次分支也越发达.另外,此模型的计算结果与Oseen-Ivantsoy理论符合较好.     

铸造镁合金的枝晶生长模拟

根据hcp晶体学结构和优先生长方向,建立了铸造镁合金晶体生长的物理模型,提出了一种新的随机性模拟方法--虚拟生长中心计算模型.模型考虑了枝晶生长动力学、各向异性和二次枝晶臂粗化,采用枝晶形状函数揭示了一次枝晶和二次枝晶的生长演化过程.引入坐标变换技术可更快速准确计算任意晶向枝晶的生长捕获.耦合了微观溶质场计算,得到了更准确的枝晶生长形貌和溶质分布情况.对Mg-Al合金定向凝固和等轴晶生长的模拟验证了本模型的正确性.     

基于KGT模型的铸造Mg-6Zn合金枝晶间距计算

基于KGT模型,计算了铸造Mg-6Zn合金的枝晶生长速度与生长半径,并运用Hunt模型以及Trivedi模型计算了Mg-6Zn合金的一次枝晶与二次枝晶间距,在光学显微镜下测量了合金的等轴枝晶臂间距与等轴晶内的二次枝晶间距。结果表明,计算值与实际测量的平均值在同一数量级,且数值较为接近。     

强制对流作用下镁合金枝晶生长的相场法数值模拟

基于Wheeler等提出的纯扩散相场模型,针对hcp晶系镁合金建立耦合温度场、溶质场和流场的相场模型,研究强制对流作用下镁合金凝固过程中单枝晶和多枝晶的生长行为。结果表明:在流速为17.19m/s的垂直强制对流作用下,流体逆流侧3个方向的枝晶臂明显比流体顺流侧3个方向的枝晶臂生长得快,逆流方向枝晶臂的稳态生长速度比纯扩散时的增加78.0%,顺流方向枝晶臂的稳态生长速度比纯扩散时的减小53.7%;各枝晶的臂长存在很大差异,枝晶形貌的六重对称性被严重破坏;在多枝晶生长时,相向生长的枝晶互相影响并竞相生长,不同枝晶的枝晶臂彼此抑制,最终形成不对称的枝晶形貌。     

噪声对NiCu合金凝固过程中枝晶生长影响的数值模拟

利用相场模型与溶质场进行耦合计算,模拟了二元Ni-Cu合金等温凝固的枝晶生长过程,研究了扰动对枝晶生长及溶质场和相场分布的影响。结果表明:当扰动大小取值适当时,热噪声的引入能引发侧向分枝,但不改变枝晶尖端的稳态行为;扰动可促进二次晶臂生长,加扰动后初生枝晶要长一些,即生长速度要快,枝晶形貌也更加复杂;随着扰动幅值的增大,枝晶尖端分叉程度增大;在枝晶生长过程中,枝晶尖端的浓度梯度最大,另外在被二次晶臂包围的界面区域,溶质浓度最高。     

薄板试样定向凝固枝晶竞争生长

深入理解高温合金定向凝固杂晶演化具有重要的科学和工程意义,其中枝晶竞争生长是揭示晶界演化与淘汰的关键环节。定向凝固双晶竞争生长的实验研究证实了传统尖端过冷度理论的局限性,定量相场模拟的研究获得了大量统计规律,促进了人们对定向凝固双晶竞争生长的理解。本研究在薄板状试样的定向凝固过程中,同时获得了大量的不同取向竞争生长的枝晶,通过拼接金相显微组织同时获得多个晶界的取向演化规律。结果表明,枝晶列竞争生长主要通过晶界两侧不同取向一次枝晶臂及二次枝晶臂的交互作用实现。在汇聚生长过程中,择优枝晶一次臂阻挡非择优枝晶,并且择优枝晶自身无法形成三次臂,导致晶界方向沿择优枝晶生长方向。发散生长过程中,处于温度梯度方向一侧时,两列枝晶的竞争生长方式以非择优枝晶新生三次臂为主,晶界以沿择优枝晶方向生长为主;当两列枝晶处于温度梯度不同侧时,两列枝晶均有三次臂新生的概率,其晶界在两列枝晶取向之间。实验统计结果给出了晶界随两列竞争生长枝晶的取向的变化规律,与定量相场模拟结果吻合。商业软件ProCAST的CAFE计算晶粒定向竞争生长晶界演化统计结果与实验结果存在较大偏差,其主要原因是CAFE仅给出晶粒尺度的轮廓信息,未考虑溶质扩散及二次臂的竞争。本研究获得的薄板状试样枝晶竞争生长的统计规律,对认识高温合金定向凝固过程中晶界取向的演化具有重要的意义,对柱状晶叶片的制备具有指导意义。     

相场法模拟Al-4.5%Cu枝晶生长参数的优化

用相场法模拟了Al-4.5%Cu合金的等温枝晶生长过程,分析了网格尺寸、各向异性强度和界面厚度对枝晶生长过程的影响.计算结果表明:随着网格尺寸的减小,二次枝晶臂发达、枝晶尖端光滑;较低的各向异性会削弱枝晶生长的方向性,而较大的各向异性则导致误差噪声;界面厚度增加,则在二次枝晶臂上产生侧枝,但较小的界面厚度枝晶的生长服从于尖锐界面条件.本文给出了各参数的优化值.     

Three-dimensional modeling of equiaxed dendritic growth on a mesoscopic scale

A novel mesoscopic modeling technique has been developed to simulate the unsteady growth of multiple equiaxed dendritic grains into a supercooled melt of a pure substance. In the model, the numerical calculation of the temperature field in the supercooled melt between the grains is coupled with a stagnant-film model for dendrite tip growth, such that without resolving individual dendrite arms the evolution of the grain envelope and the internal solid fraction can be predicted. The simulations are in good agreement with experiments for the growth of a single dendritic grain of the model substance succinonitrile. The model is then applied to simulate the growth of various configurations of up to 14 strongly interacting grains. The results indicate that the use of local analytical solutions in numerical calculations is a viable technique for simulating large-scale dendritic growth phenomena.     

1种新的模拟铝合金铸态组织的随机性方法

采用1种新的随机性模拟方法并与宏观传热过程相耦合，对铝合金的微观组织进行了模拟研究。计算中采用了简化的枝晶形状。建立了简化的枝晶形状的物理与数学模型，并提出了1种形状函数来描述晶粒的外部轮廓。基于简化的晶粒形状，采用坐标变换技术来描述过冷液相中晶粒的生长过程及其对周围节点的捕获过程。连续形核模型被用来处理异质形核现象，在生长模型中则考虑了枝晶尖端生长动力学和择优生长方向。开发了等轴晶生长的模拟程序，并进行了二维计算。进行了浇注金属型和砂型试样的模拟验证实验。结果表明，对两种不同的工艺，所得到的晶粒组织不同，金属型铸造时得到的晶粒尺寸较小，砂型铸造的较大。模拟结果与金相观察结果相符。     

铝合金枝晶生长的数值模拟

提出一种新的模拟铝合金枝晶生长的随机性方法，建立了简化的枝晶形状的物理与数学模型，并提出了一种形状函数来描述晶粒的外部轮廓，基于简化的晶粒形状，采用坐标变换技术来描述过冷液相中晶粒的生长过程及其对周围节点的捕获过程，根据上述思想，开发了等轴晶生长的模拟程度，并进行了二维计算，为了验证模拟结果，浇注了金属型和砂型试样，模拟结果表明，金属型铸造晶粒尺寸较小，砂型铸造的较大，模拟结果与金相观察结果相符。     

Ti-45Al合金焊接熔池凝固过程数值模拟

采用元胞自动机法和有限差分法建立了宏微观耦合下的焊接熔池微观组织凝固模型,对Ti-45Al合金焊后凝固过程中的枝晶生长形貌和溶质场浓度分布进行模拟,并通过试验对模拟结果进行验证. 讨论分析了焊接热输入、内部形核数和表面传热系数对枝晶生长及形貌的影响. 结果表明,熔池内的组织主要由柱状晶和等轴晶两种形态组成. 热输入的增加和传热系数的减少均有助于柱状晶的生长,而内部形核数越大则越有利于等轴晶的生长. 所建立模型的计算结果与试验结果在关于枝晶生长的定向研究中有较好吻合.     

用相场方法模拟纯物质等轴枝晶生长

采用相场模型模拟了纯物质过程的等轴枝晶演化,并针对各向异性模数为４的金属镍进行了二维数值模拟,计算了正方形区域过冷熔液中的等轴枝昌基相场方程中采用３均匀网格的一般显示有限差分方法求解,通过数值计算显示了等轴枝晶的形态。     

Observation of dendritic growth and fragmentation in Ga–In alloys by X-ray radioscopy

Abstract

Capabilities of the X-ray attenuation contrast radioscopy were utilised to provide a real time diagnostic technique for observations of dendritic growth and fragmentation during solidification of a Ga–30In (wt-%) alloy. The solidification process was visualised by means of a microfocus X-ray tube providing shadow radiographs at spatial resolutions of about 10 μm. Experiments have been carried out to solidify the Ga–In alloy unidirectionally either starting from the bottom or the top of the specimen. The first case is significantly affected by solutal convection, which governs a redistribution of solute concentration. A detachment of dendrite side arms, which is unambiguously caused by melt flow, was not observed. Dendritic fragmentation occurs during the solidification in the reverse top down direction. Variations of the applied cooling rate excited a transition from a columnar to an equiaxed dendritic growth (CET).     

锂消除纯铜铸造枝晶组织的研究

向熔融三号工业纯Ｃｕ中加入微量Ｌｉ,得到表面光滑、内部致密的铜锭。研究Ｌｉ对工业纯Ｃｕ结晶形态的影响,结果表明：Ｌｉ能消除合金凝固的枝晶区并使之转变为等轴晶区。最后从凝固理论及凝固过程热分析出发,初步探讨其成因     

An idea to treat the dendritic morphology in mixed columnar–equiaxed solidification

Abstract

To treat mixed columnar–equiaxed solidification with dendritic morphology, five phase regions have been distinguished: extradendritic melt, interdendritic melt and solid dendrites in equiaxed grains, interdendritic melt and solid dendrites in columnar arrays of dendrites. These five phases are quantified by their volume fractions, and characterized by different volume-averaged solute concentrations. The equiaxed grains and columnar dendrites are confined by their envelopes, whose shapes are described by morphological parameters. The evolution of the envelopes is derived based on recent growth theories: the growth of primary columnar dendrite tips by the Kurz–Giovanola–Trivedi (KGT) model, the growth of secondary dendrite tips in radial direction of columnar trunk and the equiaxed dendrite tips by the Lipton–Glicksman–Kurz (LGK) model. The solidification of the interdendritic melt is governed by diffusion in the interdendritic melt region. Preliminary modelling results on a benchmark casting (Al–4·7wt-% Cu) show the potentials of the model.     

二元合金等轴枝晶生长相场模拟

在传统纯物质相场模型的基础上，对其中的体系自由能进行重新构造，得到一个紧密联系相图且综合考虑了传热、溶质扩散、界面能各向异性和界面动力学各向异性等适用于二元合金枝晶生长的新相场模型，并利用该模型结合一种能显著提高计算效率的“临界面点相场大梯度计算域控制法”，对AJ-7Si合金在初始过冷度分别为35K和50K的过冷熔体中等轴枝晶生长进行了模拟，得到许多与试验观察相符合的结果；同时在枝晶生长过程中跟踪枝晶主轴尖端，获得其尖端半径和尖端速率，发现随着凝固时间的增加，逐渐收敛，直到枝晶达到稳定生长，而且通过简化KGT模型计算的枝晶尖端的生长速率与模拟值相近。另外，就过冷度对等轴枝晶生长的影响进行了分析。