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.     

扰动对单相合金定向凝固固液界面生长形态的影响

研究了扰动对单相合金在定向凝固过程中平面晶和胞晶固液界面生长形态的影响规律，给出了单相合金由平面晶向胞晶转变的临界条件及胞晶稳定生长的条件，首次用非线性理论中的线性稳定性理论，证明了单相合金在定向凝固过程中，固液界面由平面晶向胞晶转变和胞晶生长的分太 亚临界分叉；利用有机物模拟合金ＢｒＣ４在固液界面的面前沿有扰动的情况下进行实验，研究了固液界面前沿扰动对固液界面平胞转变和胞晶生长的分叉机制的影响规     

切向流动作用下模型合金定向生长方式的研究

研究了SCN－3％（质量分数）Salol透明模型合金液固界面在切向流动作用下的定向生长方式．实验结果表明,切向流动作用下,平界面临界失稳速度大大提高．同时,凝固界面出现了生长方式的振荡和生长速度的波动．随着抽拉速度的提高,生长方式由“平界面－胞晶”振荡逐渐演变为“胞晶－枝晶”振荡,且振荡周期逐渐增大．理论分析表明,切向流动能够改变界面前沿溶质分布,从而改变界面生长方式,而界面自身演化过程中的时间和历史相关性是形成振荡生长方式的重要原因．     

强磁场对Al-4.5％Cu合金枝晶生长行为影响的初步研究

以Al-4.5%Cu合金为对象进行了稳恒强磁场对枝晶生长行为影响的初步研究,发现10 T的强磁场明显影响了Al-4.5%Cu枝晶定向生长组织.生长速度R在5,10,20μm/s时,无磁场的条件下形成规则的树枝晶的组织,施加10 T强磁场后,界面淬火枝晶组织变得不规则,在随后的凝固过程中树枝晶组织几乎消失,形成接近胞晶形态的组织.磁场强度达到4 T以上后,枝晶间距明显增加.施加强磁场后宏观组织细化,晶粒增多,形成定向凝固下的等轴晶组织的特殊现象.随着生长速度的增加,磁场的作用逐渐减弱.     

Ni-Cu合金定向凝固海藻状生长形态的相场法模拟

利用微观组织相场法数值模拟技术,对Ni-Cu二元合金在温度梯度G=20K/cm条件下定向凝固的界面形态演化过程进行模拟仿真.基于均匀网格的有限差分法,采用C语言编制定向凝固晶体生长的相场法数值模拟程序,研究计算参数对凝固组织的影响,探讨定向凝固过程晶体的生长机制.研究结果表明:低的温度梯度条件下,初始平界面一旦失稳,快速形成胞状组织,在随后的演化过程中,侧向分支大量繁殖、尖端分裂,形成海藻状生长形态.因此,低温度梯度下二元合金定向凝固界面形态的转化形式为:平面状向胞状转变,最后转变为海藻状.     

电流改变定向凝固单相合金枝晶间距机理

基于Ｍ－Ｓ理论的基本思路建立了电流作用下的凝固界面形态稳定性动力学微分方程式,并讨论了电流强度对稳定性及凝固过程达到稳定状态时所对应的扰动频率的影响。在此基础上讨论了电液改变定向凝固单相合金枝晶间距的机理。     

Ti-45%Al合金界面形态及微观结构演化的相场模拟

用相场法对Ti-45%Al合金在近绝对稳定高速定向凝固条件下的液固相变界面形态和微观结构演化进行模拟.结果表明：初始平界面失稳后形成许多细胞晶,在生长速度进一步增大至近绝对稳定平界面过程中,存在细胞晶向高速平界面的转变;体系溶质分布模拟的研究结果表明,由于固液界面处发生溶质截流,体系出现低微观偏析的凝固结构.模拟结果与快速凝固理论相吻合.     

晶硅定向凝固过程中熔液流动对溶质分布的影响

定向凝固方法是目前生产太阳能用晶体硅的主要方法。晶硅电池片的质量是影响晶硅电池效率的重要因素之一,而晶硅电池片的质量与硅锭中的溶质含量及分布情况密切相关。该文对定向凝固熔炉中心区域(包括硅、坩埚及石墨支架)建立了二维瞬态分析模型,研究了定向凝固过程中热场分布、溶质分布、液硅流动情况,并分析了熔液流动对溶质分布的影响。结果表明:随时间推进固液界面从平直变成略凹;径向温度梯度产生自然对流浮力,驱动熔液流动形成一个大涡,并随时间流动强度越来越大;在长晶初始阶段,存在明显的溶质边界层,之后受流动影响,溶质分布区域扩大到整个熔液中,并且分布形式与流线形状相似;溶质向界面中心区域聚集。     

定向凝固研究易切削钢中硫化物的生成行为

通过定向凝固实验研究了易切削钢中硫化物的生成过程,并建立了枝晶臂间距、硫化物的平均直径与凝固条件之间的关系.实验结果表明:随着温度梯度和拉速的增大,MnS的平均直径减小,数量增多;定向凝固过程中硫化物的完全析出温度大约在固相线温度下100℃左右,MnS形态的改变,主要受其组成元素的活度影响,即MnS形态的改变受其界面自由能的影响;对定向凝固实验中钢的枝晶臂间距、硫化物的平均直径与凝固条件的关系进行了拟合,拟合结果与前人研究结果相吻合.     

脉冲电流频率对Al-Cu合金定向凝固组织演变的影响

采用自行设计的定向凝固装置进行Al-Cu合金定向凝固行为研究,研究Al-5%Cu合金在脉冲电流作用下微观组织的演变特征.结果发现:脉冲电流的导入明显改变了定向凝固的Al-Cu合金凝固组织形态,不同频率的脉冲电流具有不同的影响效果,在100Hz的小频率电流作用下,合金的定向凝固特征加强,枝晶结构不明显,但定向凝固形成的柱状晶半径加大,随着电流频率增大到200Hz,二次枝晶结构开始显现,组织呈现树枝状结构特征,当300Hz电流频率时,组织结构呈现排列整齐的的骨架结构,随着电流频率继续增加到400Hz时,组织变为细小的树枝状结构特征,组织整体比较细小,而且分布较均匀,在500Hz高频率电流作用下,组织又显得粗大,呈现向等轴晶转化趋势.     

过冷纯熔体中晶体生长平界面的稳定性分析

具有匀速运动平直界面的一维凝固系统,一经扰动其界面将不再为平面。Mullins-Sekerka在假定扰动波长远远小于热扩散长度与液固界面满足局部平衡条件的基础上,推出了M-S色散关系。在界面上也存在着动力学的作用,即界面的稳定性也依赖于动力过冷。文章在界面上考虑动力学影响,应用渐近分析理论继续分析过冷纯熔体液固界面的稳定性。结果表明,非快速凝固系统的液固界面不会绝对稳定。     

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。     

远场来流作用下纯熔体液固平直界面的稳定性分析

利用渐近分析方法研究在小的远场来流扰动作用下纯熔体内具有液固平直界面的凝固过程的稳定性,导出了液固界面的扰动振幅变化率与波数的色散关系,以此为基础给出了具有液固平直界面的凝固过程的稳定性判据,揭示了金属凝固过程中液固平直界面转变为胞晶界面的内在机理.     

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.     

霜晶生长的界面演变及机制分析

为了认识冷面结霜的微观机制,对霜晶生长过程中的各种界面演变现象进行了研究。从晶体生长角度解释了各种形状初始霜晶的形成机制;利用界面稳定性理论分析指出:温度场和水蒸气浓度场是影响霜晶生长的主要因素,两者的竞争耦合作用是产生相变和霜晶各种界面演变现象的根本原因;建立了霜晶生长速率与霜晶表面温度及水蒸气分压力相关的数学模型。计算结果表明:随着霜晶温度的降低或环境空气水蒸气分压力的增加,霜晶生长速率增大,这与实验以及基于分子运动论的分析结论是一致的。     

强烈机械搅拌对Al－Cu10％合金结晶方式的影响

分析了强烈机械搅拌作用对Ａｌ－Ｃｕ１０％合金结晶组织的影响。指出强烈机械搅拌作用下形成的粗大玫瑰状组织和无分枝的颗粒状晶体是由于强烈机械搅拌作用导致液固界面前方形成很薄的溶质原子富集层，使得晶体平面生长，并在生长过程中分枝以粘合方式粗化的结果。     

相场法模拟定向凝固微观组织演化研究进展

定向凝固是一种新型的铸造成型技术,能够很好地呈现出凝固过程中界面形态的演化过程,而相场法在如今微观组织数值模拟领域中是最具有优势的一种研究方法.介绍了相场法数值模拟的基本原理,阐述了国内外学者对二元或多元合金在受流场、溶质间相互作用和各向异性、过冷等因素条件影响下自由枝晶和小晶面枝晶的相场法模拟的研究进展,说明了采用相场法耦合溶质场和计算相图等方法在其他微观组织中的应用,并且指出了相场法在模拟定向凝固微观组织领域中所存在的不足之处以及未来的发展趋势.     

霜晶生长的界面演变及机理分析

为了认识冷面结霜的微观机理,对霜晶生长过程中的各种界面演变现象进行了研究。从晶体生长角度解释了各种形状初始霜晶的形成机制;利用界面稳定性理论分析指出:温度场和水蒸气浓度场是影响霜晶生长的主要因素,两者的竞争耦合作用是产生相变和霜晶各种界面演变现象的根本原因;建立了霜晶生长速率与霜晶表面温度及水蒸气分压力相关的数学模型。计算结果表明:随着霜晶温度的降低或环境空气水蒸气分压力的增加,霜晶生长速率增大,这与实验以及基于分子运动论的分析结论是一致的。