基于均匀形核的金属液滴凝固过程

研究了均匀形核的金属液滴凝固过程,应用渐近分析法求得金属液滴内晶核生长数学模型的渐近解,分析了表面张力、界面动力学参数、初始晶核尺寸和过冷度对晶核界面生长速度、晶核半径以及液滴凝固时间的影响。在一定的过冷条件下,表面张力和界面动力学参数显著减缓了晶核界面生长速度。在凝固开始的很短时间内晶核界面生长速度迅速上升,当速度上升到最大值后,随着晶核半径的增大,界面生长速度逐渐减慢,表面张力和界面动力学参数对晶核生长速度的作用也逐渐减小。过冷度越大,液滴凝固时间越短。经过在开始的瞬变凝固阶段之后,温度场从设定的初始分布迅速地调整为由过冷度、表面张力、界面动力学参数等所确定的特定温度分布。     

Al-Si合金枝晶生长相场法模拟影响因素

采用相场法技术,确定了噪声、初始晶核半径、各向异性及过冷度等因素对枝晶生长形貌模拟的影响规律.结果表明:在保证初始晶核不被熔化的前提下,初始晶核半径r0的大小不影响模拟结果;随着界面各向异性系数的增大,枝晶尖端生长速度以线性方式增大,而枝晶尖端半径以抛物线方式减小;过冷度越小,枝晶的生长越困难,越不能出现二次枝晶.相场法模拟影响因素对枝晶生长形貌模拟有重要的影响.     

铜表面液滴冻结的实验研究

为了研究液滴冻结过程中液滴内部固-液相界面的动态变化特性以及液滴形变的变化规律,基于液滴冻结可视化实验平台,对冷铜表面液滴冻结过程进行了可视化实验研究,分析了不同冷表面预设温度下液滴过冷度和液滴冻结时间的变化规律以及液滴体积对液滴冻结时间的影响。实验结果表明:在液滴冻结过程中,液滴内部固-液相界面呈现出凹界面特性;在表面张力和固-液相界面的凹面特性的共同作用下,液滴完全冻结后会在其顶部形成明显的乳状凸起;液滴冻结前期固-液相界面的推移速度较快,冻结速度较快,随着时间的推移,固-液相界面的推移速度逐渐减小,致使冻结速度减小;随着冷表面温度的降低,液滴冻结所需要的过冷度不断增加。研究发现了临界过冷度的存在,约为-12℃,适当增加液滴的临界过冷度可延缓其冻结过程。液滴冻结时间主要取决于液滴过冷时间,液滴过冷时间受冷表面温度的影响较大;液滴体积对液滴过冷时间的影响并不是单调的。     

过冷度影响海水结冰形状与速度的相场模拟

为了研究船舶结构结冰的微观机理,进行了模拟计算.基于Wheeler相场模型,使用有限差分法,对不同过冷度下海水凝固形状进行模拟.在模拟过程中,将海水视为盐和纯水的二元混合物,通过设置冰物理参数和引入晶核方式保证了冰晶生长的真实性.计算时,设置4个晶核模拟冰晶生长,讨论不同过冷度对冰晶生长的影响.结果表明:冰晶生长速度随过冷度增加而增加,且与过冷度变化呈线性关系.当无量纲过冷度小于0.85时,枝晶仅有少量分枝,且枝干较细.当无量纲过冷度大于0.85时,冰晶出现二级以上的多级分枝,且枝干明显变粗.当无量纲过冷度达到1.0时,分枝受到主枝挤压而减少,晶核之间最终被填满.     

深过冷Ni-P共晶合金凝固动力学分析

根据经典的形核和生长理论，通过实验分析了深过冷Ni-P共晶合金的凝固行为．实验发现，深过冷Ni-P共晶合金的凝固组织由粒状的共晶团和棒状的规则共晶所组成．随过冷度的增加，共晶团的组织逐渐细化，同时深过冷熔体晶核生长速率很大，异质形核在凝固过程中起控制性的作用．深过冷熔体的单点形核和长大现象作为特例用以描述界面的生长速率对其凝固组织的影响。     

非线性界面动力学影响下颗粒增长的界面稳定性

研究了一个带有非线性温度依赖界面动力学的颗粒生长数学模型,分析颗粒界面的演化及其形态稳定性.利用渐近展开方法,获得颗粒生长的渐近解以及界面扰动的变化率.当界面动力学增加时,界面动力学过冷减小,颗粒增长速度也减小,非线性温度依赖界面动力学使得颗粒界面生长倾向于稳定.与忽略界面动力学的情形比较,非线性界面动力学显著减弱了球颗粒的生长速度.     

双辊铸轧高速钢薄带的晶粒细化

主要介绍了W9Mo3Cr4V高速钢在双辊铸轧过程中的晶粒细化.薄带钢在铸轧过程中的冷却时间仅为0.2-0.3 s,冷却速度很快,冷却速度已达到100-1000℃/s,因此,在快速凝固的过程中,液体金属获得了较大的过冷度,晶核的临界半径随过冷度的增加而减小,晶粒必然细化.另外,过冷度增大,晶核形核功减小,形核几率增大,也使晶粒细化.     

双辊铸轧高速钢薄带的晶粒细化

主要介绍了W9Mo3Cr4V高速钢在双辊铸轧过程中的晶粒细化.薄带钢在铸轧过程中的冷却时间仅为0.2-0.3 s,冷却速度很快,冷却速度已达到100-1000℃/s,因此,在快速凝固的过程中,液体金属获得了较大的过冷度,晶核的临界半径随过冷度的增加而减小,晶粒必然细化.另外,过冷度增大,晶核形核功减小,形核几率增大,也使晶粒细化.     

基于小润湿角下脉冲磁场的凝固形核模型

基于Ma形核模型,理论分析了异质形核基底小润湿角下脉冲磁场金属凝固的异质形核过程,建立了凝固形核模型.考察脉冲磁场磁感应强度对金属凝固临界形核半径及临界形核过冷度的影响.结果表明:该模型中体系Gibbs自由能与异质形核基底形状系数无关.在低过冷度金属凝固条件下,当脉冲磁场磁压力功与金属熔体固液自由能差在同一数量级时,脉冲磁场可有效减小凝固形核的临界半径;在大过冷度(大于20℃)金属凝固条件下,脉冲磁场对金属凝固临界形核半径的影响可忽略.金属凝固异质形核基底粒径较大时,临界形核过冷度随脉冲磁场磁感应强度增大而有效减小.     

低过冷度下单相合金凝固组织的细化与重新长大

通过改变试样质量和冷却规范,研究了过冷Cu-30％Ni(原子分数)单相合金在不同凝固时间下的组织转变规律.在实验所选择的几秒到数分的凝固时间内,均于较低的过冷度范围和高过冷度下观察到了粗大树枝晶向细小等轴晶的转变.延长凝固时间,晶粒发生细化的两个过冷度区间扩大.对低过冷度下细化组织进行的考察表明.快速凝固刚结束时,细化晶粒仍具有树枝晶的特征,随缓凝阶段持续时间的延长,晶粒逐步蜕化为球状晶和蠕虫状晶,与此同时,晶粒度以幂函数规律重新增大.过冷熔体快速凝固使初生固相含有过饱和的低熔点组元以及较多的晶体缺陷.最终导致快速凝固结束后形成的细小晶粒在缓凝阶段的重新粗化速度明显快于正常凝固过程中晶体的粗化速度.     

零维液态金属快速凝固过程的热力学和动力学

分析了零维液态金属快速凝固过程中的热流规律,计算了零维数滴在真空条件下的冷却速度,并建立了零维液滴单晶形核的过冷度方程,结果表明,零维液滴的凝固过程由形核前所达到的过冷和系统向环境 散热共同控制,零维液滴在真空条件下的冷却速度在１０＾５～１０＾８Ｋ／ｓ之间。     

相场法模拟过冷熔体枝晶生长的界面厚度参数的取值

研究了用相场法模拟纯物质过冷熔体枝晶生长过程中,界面厚度的取值对模拟结果可靠性的影响及影响界面厚度取值的因素;然后,在选取合理界面厚度取值的基础上,计算了不同过冷度下纯镍过冷熔体枝晶生长的速度并与实验进行了比较.研究表明:为了获得可靠的计算结果,界面厚度的取值应足够小;合理的界面厚度的取值由过冷度、各向异性、界面动力学、热扩散系数等参数综合决定;在选取合理界面厚度的基础上,模拟结果与实验吻合,证明界面厚度足够小时可获得可靠的模拟结果.为相场法模拟过冷熔体枝晶生长时的界面厚度参数的取值提供了依据.     

落管中Co-Sn共晶合金的快速凝固

采用落管无容器处理技术实现了Co-34.2%Sn共晶合金在微重力条件下的快速凝固,获得了直径为100～900μm液滴的凝固组织.研究发现,随着过冷度的增大,共晶生长由层片共晶向不规则共晶转变.实验中获得了0～309 K的过冷度,最大过冷度达到0.22 TE.理论分析与实验结果表明,γCO3Sn金属间化合物是领先形核相;过冷度大于213 K时,金属间化合物γCo3Sn将取代层片共晶成为领先生长相;Co-Sn合金的共晶共生区偏向于富Co方,其成分范围为19.0%～39.6%Sn.实验达到的过冷度范围内,αCo固溶体和γCo3Sn金属间化合物均以溶质扩散控制方式生长.     

双辊铸轧高速钢薄带的晶粒细化

主要介绍了W9Mo3Cr4V高速钢在双辊铸轧过程中的晶粒细化。薄带钢在铸轧过程中的冷却时间仅为0 2-0 3s,冷却速度很快,冷却速度已达到100-1000℃/s,因此,在快速凝固的过程中,液体金属获得了较大的过冷度,晶核的临界半径随过冷度的增加而减小,晶粒必然细化。另外,过冷度增大,晶核形核功减小,形核几率增大,也使晶粒细化。     

基于多相场模型的二元合金共晶层片生长方式数值模拟

基于界面场的多相场模型,模拟研究有机合金CBr4-C2Cl6的层片形貌以及初始层片间距和初始过冷度对其形貌的影响.模拟结果表明:随着初始层片间距增大,共晶层片生长方式依次呈现以下形态:规则形态、低对称性震荡、更低对称性震荡、形核及分叉;在等温凝固条件下,初始过冷度越高,共晶层片生长形态越不稳定.     

双辊铸轧高速钢薄带的晶粒细化

主要介绍了W9Mo3Cr4V高速钢在双辊铸轧过程中的晶粒细化。薄带钢在铸轧过程中的冷却时间仅为0．2—0．3s，冷却速度很快，冷却速度已达到100—1000℃／s，因此，在快速凝固的过程中，液体金属获得了较大的过冷度，晶核的临界半径随过冷度的增加而减小，晶粒必然细化。另外，过冷度增大，晶核形核功减小,形核几率增大，也使晶粒细化。     

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.     

液态金属弹簧:金属液滴的接触性震荡融合与弹射现象(英文)

室温液态金属因低黏、超高表面张力(约为水的10倍)及高密度等属性,蕴藏着新奇的物理景象.本文发现了一种金属液滴的相互作用机制:震荡性融合与接触弹射现象.实验借助注射泵生成金属液滴,并采用高速摄像仪记录液滴间的接触融合过程.基于图像处理的量化结果表明,金属液滴由于具有较小Oh数,表面张力在双液滴的接触性震荡融合过程中起主导作用;金属液滴表面的毛细波传播速度随其半径增大而减小;造成金属液滴出现接触弹射现象的动力学机制部分来源于表面张力波和双电层效应.这一基础认识丰富了液滴流体动力学的范畴,同时也为金属液滴的生成、操控乃至流体特性的刻画提供了理论依据.     

金属沉积成形流固耦合工艺参数

为了研究金属沉积成形中流固耦合过程工艺参数,建立了VOF理论模型,利用该模型对整个熔滴沉积流固耦合过程进行数值模拟.通过变换相关参数,分析了熔滴滴落及在基板壁面上的铺展状态,研究了不同熔滴直径、碰撞速度以及基板温度对变形过程的影响.结果表明:熔滴在滴落过程中,温度由外层向内部逐渐降低,凝固层加大,而熔滴内部中心处温度基本不变;撞击基板后,熔滴沿着半径向外扩散,水平半径逐渐增大,高度逐渐减小;不同的基板温度所对应熔滴的凝固时间不同,而基板温度越低,熔滴凝固越快;不同直径的液滴在撞击经过预热的基板后,因金属熔滴凝固,体积分数随沉积时间延长而减小,但对铺展时间有影响.     

基于相场法的不同过冷度冰枝生长形态及速率模拟

针对目前实验与理论研究只给出过冷度0~20K范围内的结冰规律,远低于飞机结冰过冷度范围0~40K的问题,采用适合大过冷度结晶模拟的扩散界面相场方法,并考虑冰枝各向异性和热扰动,重点研究了过冷度20~40K范围内的冰枝生长速度、形貌和尖端半径等特征.通过分析给出了过冷度20K以上的冰枝生长速度规律,发现其斜率显著高于现有0~20K范围的结果.这是由于在过冷度20K左右尖端曲率的增大使热扩散长度出现了非线性的快速减小,从而促进了热扩散,同时尖端曲率的增大使得动力学过冷度明显增加,两者共同导致冰枝生长随过冷度加速增长.通过获得的冰生长速度规律分析飞机表面结冰溢流问题发现,在20K以上过冷度及大水含量条件下,结冰溢流距离对水含量十分敏感,在上述条件下结冰速度快和强溢流的异常结冰特征可能同时出现.