铝基四元合金枝晶组织及微观偏析的数值模拟

建立了基于元胞自动机(CA)和热力学相平衡计算引擎(PanEngine)的二维耦合模型,并应用于铝基四元合金枝晶组织和微观偏析的数值模拟.在该耦合模型中,采用CA方法模拟枝晶组织的演变.以固/液界面的平衡液相线温度和实际温度的差值作为枝晶生长的驱动力,同时考虑了固/液界面曲率的Gibbs-Thomson效应.通过求解溶质传输方程获得固/液界面处三种溶质的液相成分,耦合PanEngine获得固/液界面处的平衡液相线温度及三种溶质的平衡固相成分,为提高计算效率,采用预制数据表格的优化策略将CA与PanEngine进行耦合.将Al-4.5Cu-0.5Mg-1Si(质量分数,%)四元合金凝固时的固相分数随温度的变化以及固相分数和固相成分分布关系的模拟结果与Scheil模型和平衡凝固模型的预测结果进行了对比,结果表明,该模型不仅可应用于模拟多元合金中的枝晶生长形貌,而且能对铝基四元合金系凝固的微观偏析进行定量预测.     

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．     

Al-Si合金枝晶形貌的三维相场模拟

基于包含固相扩散系数的Karma薄界面相场模型,采用三维自适应网格划分法,研究了界面宽度、热噪声幅值对Al-Si合金过冷熔体中枝晶生长行为的影响。模拟结果表明：随着界面宽度的增加,枝晶形貌的复杂度下降,枝晶尖端速度下降,尖端液相处溶质的富集程度下降;随着热噪声幅值的增加,枝晶尖端变化较小,位于枝晶主干两侧的二次枝晶的数量和不对称度增加。     

金属凝固微观组织的相场模拟研究进展

金属凝固微观组织对金属的性能有着决定性的影响,利用相场方法模拟凝固微观组织形成和演化已在国内外取得成功.介绍相场方法的基本原理,综述近年来国内外在这一领域的研究进展,重点介绍相场方法在枝晶生长方面的应用,并指出了进一步的发展方向.     

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。     

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.     

对流作用下二元合金枝晶生长的相场法模拟

在二元合金相场模型研究的基础上,建立了耦合溶质场和流场的相场模型。采用有限差分法对相场模型进行数值求解,模拟了流场作用下Al-4.5wt%Cu合金凝固过程中的枝晶演化。质量和动量守恒方程采用Simple算法进行求解,解决了因压力带来的求解难题。通过数值模拟研究了强迫对流流速对枝晶生长形貌和溶质场分布情况的影响,并分析了对流速度对上游、下游和法向枝晶主干尖端生长速率和曲率半径的影响。     

Al-7Si合金枝晶和非枝晶组织演变的计算机模拟

采用改进的Cellular Automation(MCA)模型研究了Al-7Si合金在凝固过程中枝晶和非枝晶状组织的演变.该MCA模型不仅包含了传统CA模型中有关非均质形核和晶核的择优生长方向的随机性概念,还考虑了液、固界面的曲率,溶质再分配以及溶质在固、液两相中的扩散,采用有限体积法计算浓度场.用MCA模型的数值模拟方法研究了浇注温度和冷却速度对初生相生长形貌的影响.并将模拟结果与试验结果进行了对比.     

CuFe合金微观组织中的枝晶生长

研究了含铁20%、30%和40%的Cu-Fe包晶合金微观组织中的富Fe枝晶生长行为.结果表明,过冷液相的传热能力影响微观组织中枝晶的分布.当传热能力较强时,枝晶的分布较为均匀,枝晶的大小差别较小;反之,则枝晶分布不匀,且尺寸差别较大.对于溶质含量较低的合金,微观组织中枝晶分布的随机性与浓度起伏的不确定性有关.在溶质富集微区的过冷液相中容易产生枝晶晶核.随着溶质Fe含量的增加,单位面积上富Fe枝晶所占的比例、枝晶分枝的层次、枝晶分枝长度和密度都明显增加,而分枝的直径增加较少.溶质富集主要影响枝晶的侧向生长,而枝晶尖端的生长受溶质富集的影响较小.     

用捕获液态改进的相场方法模拟三维枝晶生长

采用相场方法模拟纯物质三维枝晶生长，在不改变相场模型的条件下，提出界面捕获液态计算方法，赋值计算单元界面标志，只对界面处的单元求解相场变量，当枝晶生长时，捕获液态单元为界面从而推进界面，并对捕获到的单元校正相场变量，论证了该方法的有效性和正确性，通过液态捕获方法加速相场模型的计算，使单晶粒三维枝晶生长模拟在个人微机上实现，计算昌生长形态及枝晶尖端生长速度，计算结果表明该方法可行。     

元胞自动机方法在枝晶生长模拟中的应用

尽管大量关于枝晶生长模拟的研究都使用了相场方法,但近年来元胞自动机(CA)方法在枝晶生长模拟方面也取得了很大进展.介绍了CA方法模拟枝晶生长的原理和模型,评述了CA方法在枝晶模拟方面的发展历程,指出了存在的问题的和进一步研究的方向.     

Cellular Automaton法模拟金属凝固显微组织研究进展

介绍了金属凝固过程中显微组织模拟的数学模型和计算模型以及元胞自动机（Cellular automation）法的原理及发展历程。概述了晶粒形核和生长的几个物理模型，并对元胞自动机在凝固过程中微观组织形成过程的计算机模拟的应用作了较详细的介绍。元胞自动机考虑了形核和生长动力学问题，通过宏微观耦合模型可计算固相分数和潜热释放的变化。介绍了两种元胞自动机和有限元方法的耦合方式，并对元胞自动机法的未来发展方向进行了展望。     

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。     

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。     

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.     

二元合金非等温凝固枝晶生长的相场法模拟

利用相场模型与溶质场，温度场进行耦合计算，以Al-4.5%Cu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。研究了扰动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：扰动的引入可以促进枝晶的二次晶臂生长，并使固相中的最高温度提高，但基本不影响枝晶尖端稳定行为；在枝晶生长过程中枝晶尖端的浓度和温度的梯度最大；在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。     

基于CA模拟焊缝凝固过程枝晶生长的分析

将元胞自动机方法用于焊缝金属凝固组织演变的模拟中,不仅为焊缝微观组织演变的数值模拟开辟了一种新的途径,同时也有助于研究焊接接头组织并依此优化工艺来提高焊件质量.文中研究了焊缝凝固过程中的溶质扩散问题,构建了基于元胞自动机的焊缝枝晶生长速度模型,在此基础上进行了焊缝中心等轴晶和熔池边缘柱状晶生长的模拟.初步计算了焊缝中心等轴晶和熔池边缘柱状晶的生长形态,计算结果明显再现了二次、三次枝晶的生长及竞争生长等微观现象.结果表明,元胞自动机方法是研究和模拟焊缝微观组织的有效手段之一.     

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。     

Multi-scale coupling simulation in directional solidification of superalloy based on cellular automaton-finite difference method

Casting microstructure evolution is difficult to describe quantitatively by only a separate simulation of dendrite scale or grain scale, and the numerical simulation of these two scales is difficult to render compatible. A three-dimensional cellular automaton model couplling both dendritic scale and grain scale is developed to simulate the microstructure evolution of the nickel-based single crystal superalloy DD406. Besides, a macro–mesoscopic/microscopic coupling solution algorithm is proposed to improve computational efficiency. The simulation results of dendrite growth and grain growth of the alloy are obtained and compared with the results given in previous reports. The results show that the primary dendritic arm spacing and secondary dendritic arm spacing of the dendritic growth are consistent with the theoretical and experimental results. The mesoscopic grain simulation can be used to obtain results similar to those of microscopic dendrites simulation. It is indicated that the developed model is feasible and effective.