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。     

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.     

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.     

过冷熔体枝晶生长的相场法数值模拟

利用相场法模拟纯物质过冷熔体中的枝晶生长过程,研究各向异性强度、过冷度、扰动等对枝晶生长的影响.结果表明,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;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;过冷度的增加,枝晶尖端稳定性遭到破坏,甚至出现分叉.讨论网格步长对模拟结果的影响,指出在兼顾精度与效率的同时应优先选取粗网格.     

纯物质过冷熔体中自由枝晶生长相场模型的自适应有限元法模拟

基于自适应有限元方法,通过求解表征纯物质相场模型的非线性抛物型方程,研究镍过冷熔体中不同起伏情况下单个完整等轴枝晶的演化过程.模拟结果表明:采用自适应有限元方法求解相场模型时结果更接近真实物理模型,在计算终止时整个计算域节点数仅为2.79×105个,远小于采用相同网格间距普通方法的1.6×106个,较大不同计算域对枝晶尖端速度的平衡值影响不大;随着起伏强度的增大,枝晶尖端获得更高的温度梯度,等温线波动更大,一次枝晶臂表面失稳,二次枝晶臂向过冷溶液中凸起的趋势越强,二次枝晶臂越发达.     

过冷金属熔体中枝晶生长的各向异性效应

基于Karma-Rappel相场模型,模拟了纯金属在量纲为1过冷度为0.45时等轴枝晶生长过程中晶粒形貌和温度场的变化. 研究了不同各向异性条件下等轴晶晶粒形貌的演化过程. 模拟结果显示,各项异性系数的大小对晶粒的形貌有重要影响. 当各项异性为0.05时,枝晶在生长过程中出现了"颈缩"现象,枝晶中温度梯度最大的方向总是与最优生长方向保持一致.     

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.     

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.     

三元合金等温凝固过程的相场法模拟

采用相场与浓度场耦合的相场法,以Fe-C-P合金为例,模拟三元合金等温凝固的生长过程.结果表明,在一定的温度区间里,生长速度是随着温度的降低而减小的,随着温度的降低,二次枝晶生长越发达.模拟结果还表明,二次枝晶之间有大量的溶质富集;各向异性系数的改变会影响二次枝晶的形貌.     

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.     

二元合金非等温凝固枝晶生长的数值模拟

采用相场方法对二元合金的非等温凝固进行二维数值模拟.以Ni-Cu合金为例,研究了在不同热扩散系数和不同溶质梯度系数下枝晶的生长以及二元合金的溶质分布.研究结果表明,随着热扩散率的增大,包围等轴晶的热扩散层增厚,抑制了侧向分支的生长,从而使侧向分支生长不发达;其次,热扩散率的增大,使得溶质场扩散层也明显增厚,溶质截留现象不明显,但在溶质场界面前沿产生明显溶质偏析;当溶质梯度系数增大时,相场形貌厚度并不产生影响,但溶质场扩散厚度却显著增加,而溶质偏析程度得以降低.     

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.     

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。     

基于KKS模型二元合金等温凝固过程的相场法模拟

基于KKS模型,采用相场和溶质场两场耦合的方法,对Al-2-mole-Cu合金凝固过程枝晶生长进行了数值模拟.在模拟过程中,采用不同的各项异性系数和初始晶核固液界面溶质浓度梯度.模拟结果表明,在没有扰动的情况下,随着各项异性系数的增大,枝晶出现二次枝晶,且越发达,并伴随着“颈缩”现象,当各项异性值达到足够大时,二次枝晶就会由于凝固潜热的释放而出现熔化“脱落”现象,脱落的二次枝晶将会成为非均质形核的初始晶核.模拟结果还表明,时间步长的增大不是致使模拟枝晶出现分叉的唯一原因,小的各项异性系数也会使枝晶出现分叉现象.     

自适应有限元法对合金定向倾斜枝晶生长的相场法模拟

建立了合金定向倾斜枝晶生长的相场模型,采用非均匀网格的自适应有限元法求解薄界面层厚度条件下的相场模型,研究了Al-Cu(w(Cu)=4%)合金的倾斜枝晶演化过程,定量分析了冷却速率、主晶间距对凝固组织的影响.结果表明:冷却速率、主晶间距和抽拉速度可以控制倾斜枝晶的生长角度,随着冷却速率的增加,枝晶的生长会偏离择优取角向温度梯度方向偏转,反之主晶间距和抽拉速度增大,枝晶的生长角度逐渐从温度梯度方向朝着晶体择优方向偏转.此外,自适应有限元法相较于均匀网格法在CPU的运行时间上降低了一个数量级,并且随着计算域的增大,自适应有限元法的计算效率越高.     

强磁场对半无限Al/Cu固液扩散偶凝固组织的影响

采用半无限Al/Cu扩散偶法,对磁场下Al-Cu合金凝固组织进行研究.结果表明:由于沿扩散方向Cu原子分数逐渐减小,凝固时,沿凝固方向依次生成α-Al胞/枝状晶等组织、Al-Al2Cu共晶组织和Al2Cu过共晶组织;在不同磁感应强度下(0～12 T),各组织发生了明显变化,胞状晶消失,枝晶粗化并发生偏转;共晶组织层间距与磁感应强度呈非线性关系,组织被扭曲;过共晶组织界面形貌变平整;Cu原子扩散距离缩短.利用XRD对α-Al枝晶区进行衍射分析,发现磁场下α-Al(100)晶面峰值强度变弱,(111)晶面变强.理论分析认为,强磁场对熔体流动的抑制作用和磁场下晶体的磁各向异性是导致上述现象的主要原因...     

对流下二元合金凝固过程的相场法研究

采用耦合流场的相场模型,以Ni-Cu二元合金为例模拟金属非等温凝固和等温凝固时的枝晶生长,把两种模拟结果作比较。发现:两种模型得出的结果都与溶质再分配理论相符合;潜热的释放在一定程度上抑制枝晶的生长,使得非等温凝固时的平衡再分配浓度比等温凝固时低;非等温凝固的生长Peclet数与Oseen-Ivantsov理论值吻合得更好。     

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.