硅材料界面形态演化过程的相场法研究

采用有限差分法求解高界面能各向异性的相场模型,对硅材料晶粒生长过程进行模拟,分析了界面能各向异性强度和过冷度对界面形态演化的影响。结果表明:在高界面能各向异性下,硅晶粒为典型小平面枝晶形态,模拟结果和实验结果吻合。随着界面能各向异性强度的增大,晶粒界面形态由类球状经光滑枝晶向小平面枝晶转变;随着过冷度的增加,晶粒界面形态由类矩形向小平面枝晶转变。Y轴正方向晶粒长度在界面能各向异性强度为0.15和0.1时相当,Y轴正方向晶粒尖端温度在界面能各向异性强度为0.15时略高于界面能各向异性强度为0.1时的值。     

强界面能各向异性下二元Ni-Cu合金枝晶生长过程的相场法模拟

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,模拟强界面能各向异性下Ni-Cu合金枝晶生长过程.结果表明:在强界面能各向异性作用下,界面方向枝晶生长不连续且枝晶出现棱角;由于枝晶尖端温度梯度和溶质梯度较大,枝晶生长迅速.当界面能各向异性强度低于临界值时,枝晶尖端生长速度随界面能各向异性强度的增加而增大;当界面能各向异性强度等于临界值时,枝晶尖端生长速度下降4.34％;当界面能各向异性强度大于临界值时,枝晶尖端生长速度随界面能各向异性强度的增加先增大到极大值后逐渐减小.当无量纲热过冷度较小时,晶体平衡形貌为类矩形;随着无量纲热过冷度的增加,晶体平衡形貌向枝晶转变,枝晶尖端生长速度先呈幂指数增加,然后呈线性增加,枝晶生长由扩散控制转变为动力学控制.     

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。     

金属过冷熔体等轴枝晶生长的相场方法研究

在纯物质相场模型中，采用计算效率较高的邻界面点相场大梯度计算域控制法，模拟了纯金属在无量纲过冷度为0．55熔体中等轴枝晶的生长演化过程，得到与实验观察相符合的等轴枝晶生长规律，通过加入形式较简单的热扰动，产生了明显的二次枝晶臂，有的二次枝晶臂上还出现了三次枝晶臂。同时计算了枝晶晶轴尖端的无量纲生长速度和曲率半径，并求出Peclet数。计算结果与微观可求解理论和Ivantsov理论吻合良好。     

镁合金枝晶生长的相场法研究

采用有限差分法求解考虑界面能各向异性的相场模型,对镁合金枝晶生长过程进行了模拟计算,研究了无量纲过冷度和各向异性强度对枝晶生长行为的影响。结果表明:镁合金枝晶在二维平面上具有6个最优生长方向,优先生长方向上枝晶生长迅速,形成枝晶主干,枝晶形貌具有六重对称性。随着过冷度和各向异性强度的增加,枝晶形貌由光滑的类六边形向具有侧向分支的六重对称形貌转变,温度扩散层由类球形向星形过渡,枝晶尖端生长速率增加,尖端曲率半径和温度值减小。     

纯Ni枝晶生长过程的相场法数值模拟

采用凝固过程相场模型,对纯Ni过冷熔体中的枝晶生长过程进行了计算模拟,研究了各向异性强度、过冷度、扰动等对枝晶生长的影响.结果表明:随着各向异性强度的增大,枝晶尖端生长速度加快,枝晶结构特征愈加明显;随着过冷度的增加,枝晶尖端稳定性遭到破坏,甚至出现分叉;扰动会促发侧向分枝的形成,但不影响枝晶尖端的稳态生长行为.     

用CA方法模拟过冷熔体中自由树枝晶的生长

基于溶质扩散和界面能的作用，建立了过冷熔体中自由树枝晶的生长模型，考虑了成分过冷、曲率过冷和界面能各向异性，用胞元自动机（CA）方法模拟了枝晶生长、界面扰动以及分枝的竞争演化，对枝晶尖端生长速度和过冷度的关系进行了模拟计算，并与L-G-K理论模型进行了定量的比较。     

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。     

过冷熔体中非等温凝固枝晶生长相场法模拟

基于二元合金相场模型,建立了耦合溶质场和温度场的相场模型.采用有限差分法对控制方程进行了数值求解,模拟了Al-Cu二元合金非等温凝固时枝晶生长过程,研究了过冷度对等轴枝晶生长行为的影响.结果表明:过冷度越大,枝晶的侧向越发达,甚至三次枝晶出现,枝晶尖端生长速度越大,计算范围内温差越大.     

相场法模拟纯金属枝晶生长参数的优化

用相场模型模拟了过冷纯金属枝晶的生长过程,从中得到了光滑枝晶各模型参数的优化值和不同耦合系数下的尖端速率。模拟结果表明,当过冷度和耦合系数较大时,得到侧枝较发达的枝晶;当各向异性系数较大时,得到变异的枝晶。无扰动的情况下,参数选取不合理也会引发侧枝的产生。为了得到光滑的枝晶,各向异性系数应在0.03~0.05范围内,过冷度应在0.55~0.65范围内,耦合系数应根据材料的热物性参数确定。     

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。     

二元合金非等温凝固过程的相场法模拟

基于Ginzburg-Landau理论,发展了一个新的相场模型.并利用该相场模型与溶质场、温度场进行耦合计算,以Al-6.5Cu合金为例模拟了二元合金非等温凝固和等温凝固的等轴枝晶生长过程.研究了凝固潜热对过冷合金熔液中的等轴枝晶生长以及溶质场和温度场的分布的影响.结果表明:潜热的释放在一定程度上抑制了枝晶的生长,使非等温凝固时枝晶没有等温凝固时发达,并且凝固界面的溶质浓度也会降低,但不会改变在枝晶生长过程中浓度分布情况.而且非等温凝固时的Peclet数值与Ivantsov理论值符合得更好.     

界面动力学系数影响枝晶生长的相场模拟

利用相场法对纯金属熔体中的枝晶生长进行了模拟;研究了界面动力学系数取值的影响因素及其取值对枝晶尖端生长速度和尖端半径的影响。结果表明：界面动力学系数的取值由相场和温度场的耦合系数、热扩散系数、界面厚度、界面原子运动时间变量等参数综合决定,随着界面动力学系数的增加,枝晶尖端生长速度减小,尖端半径增大。     

强迫对流影响合金凝固过程枝晶生长的数值模拟

利用耦合溶质场与流场的相场模型,对Al-2.5Cu合金等温凝固时枝晶生长过程进行了模拟.研究了强迫对流、扰动强度及各向异性强度对枝晶生长形貌的影响.结果表明,在流场作用下,枝晶呈非对称性生长,上游的生长速度大于下游;对流影响溶质场的分布,将溶质从上游冲刷到下游,使得上游液相中的浓度低于下游;扰动强度越大,诱发的侧向分枝越多,二次枝晶越发达;各向异性强度越大,枝晶尖端的生长速度越快,曲率半径越小.     

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。     

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%。     

Phase-field modeling of dendritic growth of magnesium alloys with a parallel-adaptive mesh refinement algorithm

A two-dimensional phase field (PF) model was developed to simulate the dendritic solidification in magnesium alloy with hcp crystal structure.By applying a parallel-adaptive mesh refinement (Para-AMR) algorithm,the computational efficiency of the numerical model was greatly improved.Based on the PF model,a series of simulation cases were conducted and the results showed that the anisotropy coefficient and coupling coefficient had a great influence on the dendritic morphology of magnesium alloy.The dendritic growth kinetics was determined by the undercooling and equilibrium solute partition coefficient.A significant finding is acquired that with a large undercooling,the maximum solute concentration is located on both sides of the dendrite tip in the liquid,whereas the maximum solute concentration gradient is located right ahead of the dendrite tip in the liquid.The dendrite tip growth velocity decreases with the increase of the equilibrium solute partition coefficient,while the variation trend of the dendrite tip radius is the opposite.Quantitative analysis was carried out relating to the dendritic morphology and growth kinetics,and the simulated results are consistent with the theoretical models proposed in the previously published works.     

相场参数对枝晶生长形貌的影响

基于相场与温度场耦合的相场法原理对Ni-Cu二元合金枝晶长大过程进行二维数值模拟。研究了不同过冷度和各向异性系数等相场参数对枝晶生长的影响,最后采用加入非平衡扰动的方式,进行了二次及三次枝晶生长的模拟。模拟结果表明:随着过冷度的增加,越有利于侧向分枝的生长;各项异性γ系数影响枝晶尖端的稳态行为,γ越大,枝晶生长速度越大,侧向分枝越发达,二次枝晶间距越小。     

A phase field investigation of dendrite morphology and solute distributions under transient conditions in an Al–Cu welding molten pool

A quantitative phase field model is developed to simulate dendrite morphology and solute distributions of the Al–4?wt-% Cu alloy in Gas Tungsten Arc Welding (GTAW) welding molten pool under transient conditions. The functions of temperature gradient and travel velocity are used to obtain transient conditions of the welding molten pool. Time evolutions of the dendrite morphology, solute distributions of different positions and interfaces are obtained. The dendrite growth process can be divided into four stages, namely linear growth, non-linear growth, competitive growth and short-term steady growth. The solute concentration near the primary dendrite tip region is the smallest, while solute concentration is larger in the front of plane crystals growth interface and the solute concentration in the liquid region among the primary dendrites is obviously the largest, where the solute segregation forms readily. For the given welding parameters, the dendrite morphology and the initial instability of solid/liquid interface agree well with the experimental result.