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。     

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.     

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.     

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.     

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.     

多元合金多晶粒枝晶生长的相场模型

基于多元合金多晶粒生长的等温相场模型,耦合温度场,提出一个新的相场模型.利用这个模型,以Al-Cu-Mg三元合金为例模拟多元合金凝固过程中多个晶粒的枝晶生长过程.结果表明,这个模型的计算结果展现了多个晶粒枝晶的竞争生长;在模拟中可以展现合金凝固中潜热的释放;能较真实地再现凝固过程中的枝晶生长过程.     

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.     

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。     

基于自适应有限元法的纯物质三维枝晶生长模拟

基于高性能计算特性的自适应有限元方法,较大尺度地求解三维相场模型,定量模拟纯物质三维枝晶的凝固过程,研究过冷度、各向异性系数等相场参数对三维枝晶的影响.结果表明:过冷度和各向异性系数越大,三维枝晶生长速度越大,侧向分枝越发达,二次枝晶间距越小,并得到与结晶理论相一致的枝晶生长规律.此外,在CPU耗费时间上自适应有限元方法比均匀网格方法降低一个数量级,并且当系统尺寸越大时越能体现出自适应有限元方法的优越性,为大尺度多场耦合相场模型的模拟提供便利.     

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.     

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.     

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.     

相场法在凝固数值模拟中的应用

研究了相场方法在纯物质凝固生长过程中计算模拟的应用．通过选取不同过冷度和各向异性系数进行纯物质镍的技晶生长模拟,最后采用加入非平衡扰动的方式,进行了侧向分技生长的模拟．模拟结果表明,模拟中过冷度和各向异性强度需要耦合考虑;非平衡扰动在模拟中不影响尖端生长速度．     

Determination of interface width value in phase-field simulation of dendritic growth into undercooled melt

The influence of the interface width value on the simulation results and its dependence upon thermo-physical parameters in the phase-field simulation of dendritic growth into undercooled melt are investigated. After choosing the reasonable interface width value, the tip velocities of dendritic growth in Ni melt under different undercoolings are calculated and compared with the experimental data in order to benchmark our results. It is shown that the reasonable interface width value， which is determined by the undercooling, anisotropy, interface kinetic, and thermal diffusivity， has to be taken low enough, and the agreement of our results with experimental data verifies that the credible results can be achieved as long as the interface width value is adequately low. This paper provides the basis of determining interface width value in simulating dendritic growth into undercooled melt by phase-field approach.