Microstructure and grain orientation evolution of a specially shaped shroud during directional solidification process

The microstructure and the grain orientations of one shroud prepared by directional solidification process have been investigated using metallographic method and electronic backscatter diffraction (EBSD). The results indicate that the solidification process of the tested shroud is composed of three steps: dendritic branching, the break-up and drift of the dendrite arms and the solidification of the residual liquid. Misoriented grains were formed between the primarily solidified dendrite stems during the process of recalescence which was caused by the accumulation of the solidification latent heat. A low angle grain boundary of 61 was produced across the impinging dendrite fronts.     

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.     

金属凝固组织的计算机仿真

探索了一种新的仿真金属凝固过程中微观组织形成的方法。通过引入导质形核模型，枝晶生长模型，几率形术底模型，借鉴单元动生长机制，仿真等轴晶、柱状晶组织形成的过程。结出了图形仿真结果，襁和实验结果符合得较好。     

DLA集团形貌演化的计算机模拟

在二维正方网格上,利用与传纯扩散有限凝聚 DLA 方法不同的分形生长模型,研究了具有不同扩散半径的拉子无规行走凝聚过程.计算机模拟结果表明,随着拉子扩散半径的增加,分形集团在二维正方网格上按如下系列“无序分形→枝状结构→类十字结构→十字结构”的形貌演化.与去噪声 DLA 模型相比,本文所述模型能够更为方便的得到各向同性或各向异性的分形生长集团     

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.     

电脉冲处理对Sn-15%Pb合金凝固组织中枝晶形态的影响

研究了电脉冲处理对Sn-15%Pb合金凝固组织的影响.通过对Sn-15%Pb合金熔体施加电脉冲处理,其凝固组织发生了由原始的树枝晶向球状组织的转化,同时晶粒发生明显细化.分析认为,由于电脉冲处理作用,合金熔体结构发生了改变,使熔体中Pb的活度提高,进而引起溶质平衡分配系数的变化,导致凝固前沿的溶质富集减轻,溶质分布情况发生改变,促使树枝晶向球状组织转化,并且使凝固组织发生细化.     

混凝土中孔结构的分形维数研究

建立了分形模型来模拟水泥浆体的空间结构,在此基础上推导出了孔体积分形维数D和孔隙率P、孔径分布的关系式;根据所得公式预测混凝土的孔体积分形维数D在0到3之间,并且D值随孔隙率减小和孔径分布范围变宽而增大.同时运用压汞法(M IP)测定普通硅酸盐混凝土的孔结构,进行孔体积分形维数计算,发现孔体积分形维数与强度之间有比较好的相关性.     

Numerical simulation of 3D-microstructures in solidification processes based on the CAFE method

It was analyzed that the finite element-cellular automaton (CAFE) method was used to simulate 3D-microstructures in solidification processes. Based on this method, the 3D-microstructure of 9SMn28 free-cutting steel was simulated in solidification processes and the simulation results are consistent with the experimental ones. In addition, the effects of Gaussian distribution parameters were also studied. The simulation results show that the higher the mean undercooling, the larger the columnar dendrite zones, and the larger the maximum nucleation density, the smaller the size of grains. The larger the standard deviation, the less the number of minimum grains is. However, the uniformity degree decreases first, and then increases gradually.     

Phase- fi eld simulation of dendrite growth in the presence of lateral constraints

The effect of a sudden change in the crossing section on the microstructural evolution as well as solute and heat diffusions during solidification of the Ni-40.8% Cu alloy was investigated by implementing a non-isothermal phase-field model. Simulations with lateral constraints of different sizes were carried out to study the changes of the dendritic growth manner. Significant changes in microstructures had been observed as the interface encountered a sharply reduced crossing section; a cellular–dendrite transition could be achieved with lateral constraints, and the tip velocity significantly changed during the development of dendrite microstructures, and also, lateral constraints of different sizes had different effects on changes of the tip positions as well as tip velocities during the dendritic growing through constraints, which agreed well with experimental results.     

熔体温度处理细化亚共晶Al-Si合金组织

利用正交试验的方法对熔体温度处理细化亚共晶Al-Si合金的凝固组织进行了研究，结果表明，经过熔体温度处理后，凝固组织中一次枝晶尺寸明显减小，长的树枝晶变为短的树枝晶或等轴晶，并且枝晶数量明显增多；二次枝晶臂间距变化不明显，从原子团簇的角度分析认为，这是由于高，低温熔体混合后，低温熔体中大的原子团簇得到细化，从而导致混合熔体中形核质点增殖的结果，研究同时发现，高，低温熔体的混合方式对熔体温度处理效果有直接影响，熔体的均匀混合有利于增大熔体凝固过冷度，减小临界晶核半径，促进凝固组织的细化。     

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.     

Formation mechanisms and control method for stray grains at melt-back region of Ni-based single crystal seed

An experimental study together with numerical simulation was conducted to investigate the formation mechanisms and control methods for stray grains at melt-back of seed in this paper. The numerical simulation results showed that the convex solid/liquid (S/L) interface changed very slowly into a concave interface during the initial solidification stage and the undercooling was slightly affected by the S/L curvature change. The formation of stray grains below melt-back interface at seed perimeter could be suppressed with the decrease of clearance between the seed and mold. However when the clearance was further decreased to 0, an orientation deviation layer formed originated from the deformation of un-melted seed caused by different expend coefficient between the seed and mold. The nucleation of stray grains above the melt-back interface at the seed perimeter could be suppressed using the mold with small surface roughness. The isolated un-melted dendrite stem at semi-solid mushy of the seed with the large original primary dendrite spacing transfer to complex network structure, suppressing the formation of the stray grains, when the primary dendrite spacing of seed decreased or the seed underwent solution heat treatment. Then, the formation mechanisms of the stray grains at the melt-back region are discussed based on above results, and a method is proposed to suppress the formation of the stray grains for preparing single crystal components by re-used seed.     

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。     

多晶硅凝固界面形态演化过程的相场法模拟分析

采用有限差分法求解小平面晶生长Wheeler相场模型,对多晶硅凝固界面形态演化过程进行相场模拟,详细分析了初始晶核条件、扰动强度和时间步长对界面形态演化的影响。结果表明:在多晶硅凝固过程中,九个晶核初始条件下,固液界面比较平坦,晶核生长空间差异小,易于形成垂直于生长界面的棱角胞晶组织。随着扰动强度的增加,棱角胞晶出现侧向分支,根部缩颈严重甚至出现熔断现象。选择强度为0.01的界面扰动,能够真实再现多晶硅凝固界面形态演化过程。在保证计算结果稳定性条件下,增加时间步长能够提高相场模拟计算效率。     

疏水冷面霜晶生长的有限扩散凝聚模型

为了深入了解霜晶的动态生长过程,以有限扩散凝聚模型为基础建立了疏水冷面霜晶二维生长模型.通过在表面上设置不同冰珠数量来模拟冷面不同疏水性能,无涂层金属表面则布满冰珠;采用粒子在网格节点上随机移动来描述水蒸气分子的运动,粒子沿各方向移动的概率相同.数值结果表明,霜晶动态生长的可视化结果与实验图像在形态上保持一致;树枝状霜晶具有分形特征,相应的分形维数为1.44～1.78,与实验值相近.疏水冷面霜晶生长缓慢且分布稀疏;采用疏水效果不好的冷面的结霜情况与金属表面相似.     

CA/MC法模拟焊缝凝固微观组织形成

基于焊接冶金学原理,将元胞自动机(cellular automaton,简称CA)法和蒙特卡罗(Monte Carlo,简称MC)法相结合,建立了一类焊缝凝固微观组织演变模型.模型采用CA法和MC法构建凝固形核和长大演变规则,并且通过耦合有限差分法来计算温度场和溶质场.模型被用来模拟低碳铁素体不锈钢焊缝凝固组织的形成,...     

基于自适应有限元枝晶自由生长相场模型模拟

利用相场模型模拟了过冷熔体中单个完整等轴枝晶在凝固过程中的生长和形貌演化,采用自适应有限元方法求解相场模型的控制方程,研究了在计算域较大、界面层厚度较薄的情况下各向异性和过冷度等物理参数对枝晶形状和生长的影响.结果表明:过冷度越大,枝晶间竞争越激烈,生长速度越慢;各向异性系数越大,枝晶沿选定方向生长的趋势越强,生长速度越快,二次枝晶间距越小,侧向分枝越发达. 与有限差分方法(FDM)相比,采用自适应有限元法(AFM)在CPU计算时间和存储空间均降低了一个数量级,并且系统尺寸越大,自适应有限元法优势越明显,便于更大尺度多场耦合相场模型的数值模拟.通过比较均匀网格法和以往的晶体生长数值模拟实验,证明了自适应有限元法的准确性、高效性和鲁棒性.     

沉积岩孔隙结构的二维分形模型及两相流模拟

建立了沉积岩孔隙结构的二维分形模型,引入了描述沉积岩孔隙结构的参数分布分维Ｄ和半径比γ,并利用该模型对大粘滞比情形下沉积岩中的两相流驱替进行了计算机模拟,结果表明粘滞指进型与结构参数存在密切关系．当半径比较小而分布分维较大时,指进型明显地呈十字形生长,而当半径比较大而分布分维较小时,指进型表现为完全无序的分支结构．通过数据拟合,得到了指进型分维与结构参数的表达式．     

材料凝固时晶粒生长-粗化的二维元胞自动机模型

建立了模拟凝固进行时晶粒成核、生长与粗化过程以及凝固完成后晶粒粗化过程的二维元胞自动机模型,模型中将原子在固/液界面、晶界面的迁移过程以概率的方式表现在元胞网格演化的规则中.模拟结果表明,所建立的模型可以合理地描述晶粒在凝固过程中的生长-粗化过程.应用本模型分析了冷却率、结晶取向数、温度等因素对于晶粒微观结构演化的影响.研究结果表明:大冷却率有助于得到细小的晶粒;当结晶取向数大时晶粒较小;保温温度低会抑制晶粒粗化.     

深过冷Cu-Ni-Fe三元合金自定向快速凝固

利用熔融玻璃净化结合循环过热,在２５～３０４Ｋ过冷度范围,分析了Ｃｕ－３９％Ｎｉ－６％Ｆｅ（ｗｔ％）三元合金凝固过程过冷组织的演化规律。确定了负温度梯度下实现自定向凝固的过冷度条件：下限为能够抑制快速凝固过程中形成的枝晶熟化的最低过冷度,上限为快速凝固过程中枝晶不发生准球状化转变的最高过冷度;就研究的合金而言,过冷度范围为１１０～１８０Ｋ。在定向凝固的过冷度范围内,无需人为控制固液界面前沿的温度梯度,而且,以点触发试样端部,可以获得单晶