PF-LBM模型模拟强迫对流对二元合金枝晶生长的影响

建立一个耦合格子玻尔兹曼方法(LBM)与相场法的二维模型,以Al-Cu二元合金为例对强制对流作用下合金凝固过程中的枝晶生长行为进行模拟.研究流动速度和各向异性系数对金属凝固过程中枝晶生长的影响.结果表明:对流对枝晶形貌影响很大,上游枝晶的枝晶臂最长,下游枝晶臂最短,整个枝晶呈现非对称形貌;对流速度越大,上游枝晶生长越快,流速增大会产生涡流,使下游枝晶也生长加速;各向异性系数越大,主枝枝晶臂越瘦长,流场存在会增强各向异性强度对凝固过程枝晶生长的影响.     

基于PF-LBM模型的自然对流影响枝晶生长模拟

基于二元合金枝晶生长的相场模型,建立耦合流场、温度场和溶质场等物理外场的多元合金相场模型,模拟了单晶粒和多晶粒在自然对流作用下的生长,观察了枝晶凝固过程中的枝晶形貌、流场以及溶质场的变化.研究发现:温度梯度和浓度梯度改变引起自然对流,使枝晶整体的对称性遭到破坏,上游枝晶尖端生长受到促进,生长速度大于下游,水平方向枝晶尖端生长速度介于上下游之间,二次枝晶臂生长速度、浓度与一次枝晶臂基本相同,能量起伏和结构起伏使枝晶受到的影响更加明显.此外,随着各向异性强度增加,枝晶尺寸变大,生长速度加快,主枝晶臂变细,内部凹陷变明显,尖端变尖锐,二次枝晶臂间距增大.当单晶粒各向异性强度为0.05时,出现明显的“颈缩”现象,多晶粒在各向异性强度为0.03时,出现明显“颈缩”现象.     

强迫对流下各相场参数对枝晶生长的影响

利用耦合流场的相场模型,以N-iCu二元合金为例研究各相场参数对金属凝固过程中枝晶生长的影响。结果表明:对流对枝晶形貌影响很大,上游枝晶的枝晶臂最长,下游枝晶臂最短,整个枝晶呈现非对称形貌;对流速度越大,上游枝晶生长越快;各向异性系数越大,主枝枝晶臂越瘦长;扰动的引入可以促进枝晶二次枝晶臂的生长,但基本上不影响枝晶尖端稳态行为。     

Fe-C二元合金凝固过程强制对流作用下柱状晶生长行为的数值模拟

文章在前期建立的微观元胞自动机模型的基础上,耦合动量传输模型、质量传输模型和热量传输模型,建立了考虑流体流动的宏微观多尺度二维枝晶生长数学模型CA-FVM。并采用CA-FVM模型研究了强制对流作用下Fe-0.82C二元合金凝固过程枝晶生长规律。数值模拟表明:强制对流明显地改变了枝晶生长规律,靠近强制对流入口处枝晶生长受抑制作用较明显,枝晶生长较慢,远离强制对流入口处枝晶受抑制作用较弱,枝晶生长较快。同时,随着强制对流强度的增加,枝晶生长受熔体流动的影响更加明显,加剧了枝晶的非对称生长。     

强迫对流影响枝晶生长的三维相场法模拟

将计算流体的三维模型与模拟枝晶生长的三维相场模型进行耦合,建立强迫对流环境下枝晶等温生长的三维PF-LBM模型,以Al-Cu合金为例研究液态金属流动时枝晶的生长行为、不同流速下枝晶的生长行为并在相同模拟参数条件下将三维模拟与二维模拟进行对比.结果表明:液态金属的流动显著改变了三维枝晶原有的对称生长形貌.不同流速下枝晶的生长形貌和溶质场分布不同,流动速度越大,迎流方向主枝晶越粗,逆流方向主枝晶越细.流动速度对尖端曲率半径的影响大于对尖端生长速度的影响,大的流动速度对逆流方向枝晶的影响比对迎流方向枝晶影响严重.三维模拟中液态金属的流动状况比二维模拟中复杂;相同模拟参数下三维模拟中液态金属的流动对枝晶生长的影响比二维模拟中影响大.     

多元合金等温凝固相场法模拟

利用由二元合金相场模型扩展获得的多元合金相场模型,以Fe-C-P合金为例,研究界面厚度对枝晶生长的影响.结果表明,随着界面厚度的减小,枝晶生长速度增大,界面推进速度提高,主枝晶臂变细,二次枝晶臂越发达,固液界面溶质扩散层的厚度减小,界面前沿溶质分配系数增大,而界面前沿溶质偏析程度也相应增大;相反,随着界面厚度的增加枝晶尖端生长速度逐渐减小,并呈收敛的趋势.     

强制对流作用下溶质枝晶生长的CA-LBM模拟

应用一个二维的元胞自动机(cellular automata, CA)-格子玻尔兹曼方法 (lattice Boltzmann method, LBM) 耦合模型,对合金等温凝固过程中溶质枝晶在强制对流作用下的生长规律进行了模拟研究.该耦合模型采用CA方法模拟枝晶生长,同时采用基于分子动理论的LBM模拟枝晶生长过程中的流场和浓度场.应用该模型模拟分析了过冷度和成分等因素对Al-Cu合金在纯扩散和对流作用下单枝晶的生长规律的影响.结果表明,在纯扩散条件下,模拟的枝晶稳态生长尖端速度、半径、Peclet数和过冷度的关系与Lipton-Glicksman-Kurz (LGK)模型的预测结果吻合良好.对流作用下枝晶的生长形貌呈现出了不对称性,枝晶的生长在上游方向得到促进,而在下游方向受到抑制.合金成分和初始过冷度等因素会对枝晶形貌和生长动力学产生影响.     

液氢中固空枝晶生长凝固定量相场法研究

为探究固空形成过程中枝晶微结构演化和氧溶质非均匀分布规律，建立了描述固空枝晶生长凝固过程中枝晶形态演化和氧溶质分布的定量相场模型(QPFM),应用该模型对连续冷却条件下的固空单枝晶和多枝晶生长行为特性进行了研究，选择了两条特殊位置曲线定量表述氧溶质分布规律。结果表明：枝晶形态随初始过冷度增大而变得复杂，二次枝晶臂更为发达；氧溶质质量分数呈现枝晶内部贫氧外部富氧的分布特征，沿一次枝晶臂和二次枝晶臂的轴线形成了氧溶质质量分数较低的脊柱；多枝晶的相互作用破环了枝晶的对称形态；连续冷却条件下，固空枝晶二次枝晶臂随时间增长逐渐粗化、融合，固相率和最大氧溶质质量分数分别持续增长到最大值0.911 1和0.840 6;枝晶之间的间隙阻碍了氧溶质的扩散，使得氧溶质质量分数由单枝晶时的0.402升至多枝晶时的0.668。研究可为液氢系统的安全使用提供理论指导。     

数值模拟多晶粒生长形貌

基于相场方法,对包含多晶粒的纯物质凝固过程进行了二维数值模拟.以镍为例,展示了界面形貌的生长过程,研究了各向异性参数对枝晶界面形貌的影响.结果表明:随着模拟时间的增加,各晶核由独立生长演化为竞争生长,晶臂间区域的晶臂生长受到抑制.随着各向异性值的增大,各枝晶相貌大小均逐渐增大,同时晶臂间区域减小导致晶臂的竞争生长加强,最后在该区域呈排斥性生长.     

高碳钢小方坯的一次枝晶臂间距的影响因素

高碳钢小方坯显微凝固组织的研究表明:一次枝晶臂在凝固过程中不断粗化变短;碳含量高,容易形成长宽比小的一次枝晶,并且一次枝晶臂间距增宽,容易形成粗大的柱状晶组织;过热度高,易形成粗大的一次枝晶,一次枝晶臂间距增宽;拉速慢,容易形成细长的一次枝晶,一次枝晶臂间距减少;二次冷却水流量比增加,易形成细长的一次枝晶,一次枝晶臂间距降低.结晶器电磁搅拌可显著降低一次枝晶臂长宽比,并减小一次枝晶臂间距;搅拌电流增加,则一次枝晶臂间距减小效果更明显.     

强磁场对Al-4.5％Cu合金枝晶生长行为影响的初步研究

以Al-4.5%Cu合金为对象进行了稳恒强磁场对枝晶生长行为影响的初步研究,发现10 T的强磁场明显影响了Al-4.5%Cu枝晶定向生长组织.生长速度R在5,10,20μm/s时,无磁场的条件下形成规则的树枝晶的组织,施加10 T强磁场后,界面淬火枝晶组织变得不规则,在随后的凝固过程中树枝晶组织几乎消失,形成接近胞晶形态的组织.磁场强度达到4 T以上后,枝晶间距明显增加.施加强磁场后宏观组织细化,晶粒增多,形成定向凝固下的等轴晶组织的特殊现象.随着生长速度的增加,磁场的作用逐渐减弱.     

强迫层流环境下多晶粒生长的相场法模拟

将模拟流场所用的Lattice Boltzmann方法(简称LBM)和模拟枝晶生长的相场模型进行耦合,模拟Al-Cu合金等温凝固过程中多晶粒在纯扩散和存在对流情况下枝晶的生长状况.模拟结果显示:在枝晶的生长初期,无论是纯扩散还是存在对流,各晶粒间间距较大,无相互影响,独立生长;纯扩散条件下枝晶呈现明显的对称性,强迫层流作用下,由于对流的存在,上游侧枝晶比下游侧枝晶发达;随着枝晶慢慢长大,各晶粒相互影响,产生竞争生长,导致枝晶生长产生不对称性;流速的大小会影响枝晶的生长形貌,流速越大,枝晶生长越快,非对称性越严重,下游越易产生涡流.     

电场调控下合金凝固过程枝晶形貌演变同步辐射原位成像

由于金属合金的不透明性, 研究者们无法实时捕捉到金属合金凝固过程中枝晶生长的动态行为, 也无法直接观察到电流对枝晶生长行为的动态调控过程. 采用同步辐射X 射线成像技术, 实时观察到了电流对枝晶生长形貌演变的动态调控过程. 成像结果表明, 直流电流能够显著抑制枝晶生长, 并促使枝晶尖端变平,随着电流增加, 枝晶尖端发生分裂现象, 这归因于枝晶尖端的电流拥挤以及溶质富集. 脉冲电流能够显著细化枝晶臂间距并影响其凝固进程, 主要原因是周期性的脉冲电流对液固界面产生了循环的热冲击和振荡扰动所致.     

FGH95与Rene''''95合金粉末热学凝固参数和微观组织

大量实验证明,铸态组织中二次枝晶臂距主要受冷却速度或凝固时间的影响。本文对FGH95和Rene'95氩气雾化的、不同粒度级的粉末颗粒测定了二次枝晶臂距,计算了冷却速度(?)、完成凝的固时间tf、凝固速度R及固—液界面前沿温度梯度G。结果表明:两种粉末粒度在-60—+320目范围内冷却速度为10~3-10~4℃/s,凝固时间为10~(-1)—10~(-2)s。随着粉末颗粒减小,冷却速度增加,G/R值增大,粉末颗粒的凝固从以树枝晶为主的方式逐渐转变成以胞状晶为主的方式,用G/R值来判断凝固组织中的碳化物形态不是唯一因素。     

相场法模拟中取向与热扩散参数对Ni-Sn合金枝晶形貌的影响

利用相场模型与温度场进行耦合的控制方程来模拟Ni-Sn二元合金凝固过程中的枝晶生长情况。依据热力学定律、自由能泛函与熵泛函原理,建立Ni-Sn合金相场和温度场耦合的模型。用相场法模拟合金在非均匀温度下枝晶生长过程和枝晶生长形貌的情况。对形成的图像进行对比,研究各向异性强度参数与热扩散参数对枝晶生长形貌和生长速度的影响。模拟研究表明：在非均匀温度场下,当各向异性强度参数增大时,枝晶的生长速度会随之增大,并且二次支臂的生长数量也会增加。此外,当热扩散参数增大时,枝晶的生长速度会随之减小,枝晶主干变细,并且二次支臂的生长数量会有明显减少。     

NaBi(WO4)2 枝晶生长实时观察及其凝固组织研究

利用高温晶体生长实时观察装置, 观察并研究了小Prandtl数、高熔点、透明的NaBi(WO₄)₂ (NBWO)氧化物中的枝晶生长过程. 根据其动态图像及细节信息分析, 枝晶不同主干和分支之间的竞争现象以及熔体中的对流效应均存在抑制枝晶生长作用. 枝晶生长速度随时间变化, 其中主干生长速度在熔体扩散区达到最大值5.8 mm/s, 当其前沿进入对流区后, 生长速度迅速减小, 枝晶分支的生长速度变化也具有相同的规律. NBWO熔体急冷后凝固组织的EPMA-EDS分析表明, 枝晶生长不同阶段固液界面前沿熔体中存在成分偏离化学计量比现象.     

各向异性影响非等温凝固过程的相场法模拟

采用相场法,模拟Ni-Cu二元合金非等温凝固时各向异性系数对晶体生长行为的影响.结果表明,各向异性系数越大,二次枝晶越发达,枝晶生长速度越快.潜热的释放,致使固相区温度比液相的高,而且在二次枝晶生长速度最快的固/液界面处的温度最高.固/液界面温度的升高,使过冷度降低,晶体的生长受到抑制,生长速度出现波动.     

相场参数对TiAl合金枝晶组织的影响

合金凝固过程中的枝晶形貌对所制备材料的宏观特性具有重要的影响,而相场法有效的将合金材料的微观组织和实际凝固过程结合起来,从而能更加真实地对其过程进行模拟。依据自由能最小原理及热力学定律,建立了Ti-Al合金相场与温度场耦合的模型,用相场法模拟合金在非均匀温度场下的枝晶生长过程和枝晶形貌。对形成的图像进行分析,研究各向异性系数、热扩散系数以及相场与温度场的耦合参数对枝晶生长形貌和生长速度的影响。结果表明,在非均匀温度场中,随着各向异性系数的增大,枝晶生长速率增加,且容易出现二次枝臂。此外,热扩散系数的增大会抑制枝晶生长速率,枝晶主干会变细且二次支臂数量显著减少。而耦合系数的增大会加速枝晶生长速率并对二次枝晶的产生有着较为明显的促进作用。     

切向流动作用下模型合金定向生长方式的研究

研究了SCN－3％（质量分数）Salol透明模型合金液固界面在切向流动作用下的定向生长方式．实验结果表明,切向流动作用下,平界面临界失稳速度大大提高．同时,凝固界面出现了生长方式的振荡和生长速度的波动．随着抽拉速度的提高,生长方式由“平界面－胞晶”振荡逐渐演变为“胞晶－枝晶”振荡,且振荡周期逐渐增大．理论分析表明,切向流动能够改变界面前沿溶质分布,从而改变界面生长方式,而界面自身演化过程中的时间和历史相关性是形成振荡生长方式的重要原因．     

碳钢连铸凝固过程的微观模拟

通过一种简单的数学模型研究了连铸坯凝固过程中枝晶生长的重要微观结构参数.结合中碳钢连铸性能计算出凝固过程中枝晶生长的尖端半径、枝晶生长速率、二次枝晶臂间距等枝晶相关参数,并研究了拉速对上述微观结构参数的影响.分析了碳、硅、锰、磷和硫等重要元素的微观偏析程度随凝固进程与坯壳生长的变化规律.与前人经验模型的对比与验证表明本文模型预测结果合理.