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。     

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。     

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。     

Si-Ni合金中小晶面枝晶生长的相场法模拟

相场法作为一种有效预测过冷熔体凝固过程的数值模拟计算方法,在模拟枝晶生长方面得到了广泛应用。应用界面能的校正形式,建立二元合金小晶面枝晶生长的相场模型,对Si-Ni二元合金小晶面枝晶生长进行了模拟。结果表明,当各向异性强度系数超过临界值υ=1/15时,枝晶生长表现出小晶面生长形态,尖端曲率效应消失,呈现出棱角状的不连续结构;同时在枝晶主支上产生大量侧向分支。实验观察验证了小晶面枝晶生长相场模型的有效性。     

用相场方法模拟Fe-C合金枝晶生长

采用相场法模拟了Fe-0.5%C合金等温凝固过程中单个枝晶和多个枝晶的生长,研究了过冷度、各向异性、界面厚度、晶体取向以及扰动对枝晶形貌的影响,获得了具有二次分枝的枝晶形貌,再现了枝晶生长过程及枝晶臂之间的竞争生长.模拟结果表明:凝固过程中存在溶质富集和枝晶偏析,枝晶主干溶质浓度最低,枝晶臂之间的液相浓度最高.随着过冷度的增大,枝晶生长加快且分枝发达;界面厚度直接影响枝晶的生长速度;各向异性影响枝晶的形态;晶体取向与坐标轴方向一致时枝晶优先生长;扰动的加入导致枝晶分枝的形成.     

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.     

Fe-C二元合金凝固过程枝晶偏析的数值模拟研究

利用元胞自动机法对Fe-C二元合金过冷熔体中枝晶的生长过程进行了模拟,其中明确地将液相溶质浓度与固相溶质浓度区分开,并探讨了冷却速率、液相溶质扩散系数以及固相溶质扩散系数对枝晶偏析的影响规律。模拟结果表明:随着冷却速率的增大,固相中溶质浓度波动不断加剧,且枝晶偏析程度增大,但偏析程度的增大趋势逐渐减缓;当液相扩散系数变化时,液相溶质扩散系数越小,其微观偏析越严重,此外,固相中溶质的波动随液相扩散系数的增大而减小;当固相溶质扩散系数变化时,在枝晶中心附近,微观偏析程度基本保持一致,而在远离中心点的外围区域,微观偏析程度的波动十分明显。     

Al-4%Cu凝固过程枝晶生长的数值模拟

改进了模拟枝晶生长常用的二维元胞自动机和有限差分(CA-FD)模型,新模型引入扰动函数来控制二、三次枝晶的生长;在枝晶生长过程中,将溶质浓度明确地分为液相溶质浓度和固相溶质浓度两部分;并在溶质再分配与扩散过程中采用八邻位差分以减少网格形状导致溶质扩散的各向异性。模拟了Al-4%Cu二元合金过冷熔体中,单个和多个等轴晶沿不同择优方向生长及单方向和多方向柱状树枝晶竞争生长过程中的枝晶形貌、液相溶质浓度和固相溶质浓度分布情况。模拟结果表明:扰动的引入能够促使枝晶产生分支,并控制二、三次枝晶的生长速率;液/固相溶质计算模型能够准确地模拟出枝晶生长过程中液/固相溶质分布;此外改进后的模型实现了枝晶沿任意方向的竞争生长。     

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...     

对流影响枝晶生长的相场法模拟研究进展

液态金属的对流和枝晶生长的相互作用在凝固模型中是非常重要的,因为铸造和焊接过程常伴随有自然或强迫对流。综述了耦合对流时相场的数学模型、数值计算方法以及在凝固微观组织模拟中的应用和进展,指出了该领域目前面临的问题和未来发展趋势。     

过冷熔体凝固行为的自适应有限元相场法模拟

通过自适应有限元法求解相场模型,对过冷熔体中自由枝晶生长行为进行了数值模拟.自适应有限元法可减少计算量,提高求解速度,并同时降低存储空间的需求.模拟结果表明,随着各向异性系数ε4的增加,枝晶生长速度Vtip线性增大,而尖端半径rtip以指数方式减小.进一步研究表明界面稳定性系数σ*随各向异性系数ε4的增大而增大.     

短纤维增强铝铜二元合金复合材料凝固偏析的数值模拟

根据凝固过程中的守恒原理,建立了铝基复合材料凝固过程的数学模型.根据所建立的模型对氧化铝短纤维增强铝铜二元合金复合材料进行数值模拟,模拟结果表明:氧化铝短纤维周围有低熔点物质及溶质富集;随冷却速度增大,复合材料基体偏析加剧;随复合材料中纤维体积分数增大,基体中偏析减小.     

Numerical Simulations of Equiaxed Dendrite Growth Using Phase Field Method

Phase field method offers the prospect of being able to perform realistic numerical experiments on dendrite growth in a metallic system.In this paper, the equiaxed dendrite evolution during the solidification of a pure material was numerically simulated using the phase field model.The equiaxed dendrite growth in a two-dimensional square domain of undercooled melt(nickel) with four-fold anisotropy was simulated.The phase field model equations was solved using the explicit finite difference method on a uniform mesh.The formation of various equiaxed dendrite patterns was shown by a series of simulations,and the effect of anisotropy on equiaxed dendrite morphology was investigated.     

相场模型凝固组织模拟进展

本文对相场模型的物理本质、数值计算方法以及在凝固微观组织模拟中的应用和进展进行了综述，并指出相场模型凝固微观组织模拟的发展方向。     

温度梯度对定向凝固Al-4.5%Cu合金一次枝晶间距的影响

使用5kg坩埚下拉式定向凝固设备,对Al-4.5%Cu合金进行定向凝固试验,研究Al-4.5%Cu合金在不同温度梯度下一次枝晶间距的变化规律。结果表明:在其他凝固参数不变时,随着温度梯度的增大,一次枝晶逐渐变小,细密,挺直,基本呈平行状分布,同时计算的一次枝晶间距值与Hunt模型计算值接近,实验测得的一次枝晶间距的回归曲线为:y=2843478.3x2-70217.4x+543.8。用温度梯度较高的实验值来模拟时,可得到1λ=26.7G-0.5-135.9,一次枝晶间距λ1与G-0.5基本呈线性关系,这和Hunt模型分析结果一致。     

镁合金挤压铸造凝固过程数值模拟

利用有限元法对镁合金挤压铸造凝固过程进行数值模拟,分析了铸件的凝固收缩和凝固时间,预测铸件可能发生缺陷的位置,对比挤压压力对铸件缺陷的影响。 结果发现,与重力铸造相比,挤压铸造的凝固收缩小,铸件在挤压铸造的压力作用下可缩短凝固时间;缺陷模拟结果与实验相符,加大挤压铸造压力有助于减少缺陷的产生。