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.     

高速定向凝固溶质偏析的相场法数值模拟

利用耦合溶质场的相场模型,采用温度冻结近似条件对单相二元合金高速定向凝固的界面形态及溶质偏析进行了模拟,展现了定向凝固过程中的平-胞-平转变,研究了固相扩散系数Ds及溶质梯度系数δ对模拟结果的影响.研究结果表明,随着界面推进速度的增加,界面形态由初始平面生长转变为胞晶/细胞晶以及平界面生长;随着固相溶质扩散系数Ds的增加,界面推进速度减小,溶质分配系数减小,界面前沿溶质扩散层变厚,微观偏析程度减小,得到成分均匀的胞晶组织.但是,当Ds小于10-7cm2/s时,Ds对界面推进速度及溶质浓度分布都没有明显的影响.随着溶质梯度系数δ的增加,胞晶尖端生长速度相应增加,溶质分配系数k增大,溶质截留效应明显.     

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.     

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。     

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.     

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.     

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.     

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.     

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。     

在强加来流作用下二元系中枝晶生长的稳态解

研究了远场来流作用下二元系中的枝晶生长.当Schmidt数很大时,应用渐近分析方法得到枝晶稳态生长的渐近解,其温度场和浓度场的首级解、一级解均为相似性解,枝晶形状为存在细微波动的旋转抛物面.远场来流的强弱影响着枝晶生长的Peclet数的大小,进而影响着枝晶的尖端半径与生长速度.当过冷度一定时,在枝晶尖端或在枝晶前沿处的温度随着流场的增大而减小,而溶质浓度随着流场的增大而增大.     

机械搅拌对Al及Al-Cu合金铸锭组织和宏观偏析的影响

研究表明,机械搅拌驱使液态金属作圆周运动,提高了凝固前沿的温度梯度,降低了凝固速度,缩短了柱状晶区宽度,扩大了等轴晶区并细化了等轴晶,同时还促使柱状晶发生倾斜,缩短了一次,二次枝晶间距,并形成了特有的宏观偏析,这种偏析特征与流体流动规律,溶质密度密切相关。     

Al-Si合金快速等轴凝固界面响应函数及组织选择

在快速枝晶及共晶生长理论模型基础上,使用最高界面生长温度判据,建立了共晶合金快速等轴凝固界面响应函数(IRF)模型,分析了Al-Si合金系各种相及组织的竞争生长,绘制了非平衡组织选择图.计算结果与实验结果基本吻合,说明所建立的界面响应函数模型可以较好地预测Al-Si合金等轴凝固过程中的非平衡组织选择及形态演化.     

相场法模拟潜热的释放对多元合金凝固过程的影响

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,对等温和非等温条件下的凝固过程进行对比分析.结果表明,在同等凝固时间下,非等温时的固相率、尖端生长速度、溶质偏析比小于等温情况时;在溶质富集区,等温情况下比非等温情况下表现出较明显的溶质梯度;在枝晶生长过程中,固液界面处的温度较高,最高温度值先迅速增加,后呈波动性的缓慢增加.     

Insight of the dendrite deformation in Ni-based superalloys for increased misorientation along convergent boundaries

The dendrite growth and the associated misorientation evolution on the platform base of a single crystal investment casting were investigated. It was found that the long secondary dendrite arm(LSDA) grew through the whole platform, and a convergent boundary of dendrite arms(CBDA) formed simultaneously between the corresponding branched arms and the extended secondary arms from the blade zone. The corresponding orientation measurement confirmed that the misorientation of dendrite arms between the two sides of the CBDA monotonically increased from 5.9° at one platform edge to 33.5° at the other platform edge. Additionally, the LSDA dendrite deformation was also identified by the accumulated misorientation within the LSDA dendrite core. Furthermore, it was deduced that the increased misorientation along the CBDA was caused by the LSDA dendrite deformation, and the reason of LSDA dendrite deformation was further discussed based on the associated strain distribution around the LSDA. Because of a 33.5° misorientation along the CBDA, it was indicated that the dendrite deformation might be the formation mechanism of high angle boundary.     

枝晶生长的介观尺度三维数值模拟

为预测合金介观组织的形成与演变,提出了改进的三维元胞自动机(CA)模型。该模型采用枝晶形状函数,简化描述介观区域的枝晶生长轮廓;利用基于Euler角的空间坐标转换,描述随机晶向的多晶粒生长;采用Hash表加速算法,耦合了溶质场计算,采用数值算法处理固液界面的溶质再分配。该模型可模拟大范围随机取向的多晶粒生长过程,并具有较高的计算效率。模拟结果表明:不同模拟区域和网格剖分尺寸对晶粒体积的分布规律没有明显影响;较快冷却速度下,存在溶质富集和枝晶偏析。对Al4Cu合金的砂型和金属型试样的显微组织分别进行模拟,结果与实验符合较好。     

枝晶生长的介观尺度三维数值模拟

为预测合金介观组织的形成与演变,提出了改进的三维元胞自动机(CA)模型。该模型采用枝晶形状函数,简化描述介观区域的枝晶生长轮廓;利用基于Eu ler角的空间坐标转换,描述随机晶向的多晶粒生长;采用H ash表加速算法,耦合了溶质场计算,采用数值算法处理固液界面的溶质再分配。该模型可模拟大范围随机取向的多晶粒生长过程,并具有较高的计算效率。结果表明:不同模拟区域和网格剖分尺寸对晶粒体积的分布规律没有明显影响;较快冷却速度下,存在溶质富集和枝晶偏析。对A l4Cu合金的砂型和金属型试样的显微组织分别进行模拟,结果与实验符合较好。     

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.     

Dendrite growth and micromechanical properties of rapidly solidified ternary Ni-Fe-Ti alloy

The rapid solidification of undercooled liquid Ni_(45)Fe_(40)Ti_(15)alloy was realized by glass fluxing technique.The microstructure of this alloy consists of primaryγ-(Fe,Ni)phase and a small amount of interdendritic pseudobinary eutectic.The primaryγ-(Fe,Ni)phase transferred from coarse dendrite to fragmented dendrite and the lamellar eutectic became fractured with the increase of undercooling.The growth velocity ofγ-(Fe,Ni)dendrite increased following a power relation with the rise of undercooling.The addition of solute Ti suppressed the rapid growth ofγ-(Fe,Ni)dendrite,as compared with the calculation results of Fe-Ni alloy based on LKT model.The microhardness values of the alloy and the primaryγ-(Fe,Ni)phase increased by 1.5 times owing to the microstructural refinement caused by the rapid dendrite growth.The difference was enlarged as undercooling increases,resulting from the enhanced hardening effects on the alloy from the increased grain boundaries and the second phase.