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.     

强迫层流环境下多晶粒生长的相场法模拟

将模拟流场所用的Lattice Boltzmann方法(简称LBM)和模拟枝晶生长的相场模型进行耦合,模拟Al-Cu合金等温凝固过程中多晶粒在纯扩散和存在对流情况下枝晶的生长状况.模拟结果显示:在枝晶的生长初期,无论是纯扩散还是存在对流,各晶粒间间距较大,无相互影响,独立生长;纯扩散条件下枝晶呈现明显的对称性,强迫层流作用下,由于对流的存在,上游侧枝晶比下游侧枝晶发达;随着枝晶慢慢长大,各晶粒相互影响,产生竞争生长,导致枝晶生长产生不对称性;流速的大小会影响枝晶的生长形貌,流速越大,枝晶生长越快,非对称性越严重,下游越易产生涡流.     

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。     

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.     

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.     

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.     

PF-LBM耦合模型下Al-Cu合金的枝晶生长和气泡形成

基于Shan-Chen多相流的格子玻尔兹曼方法模拟复杂多相流系统,探索气泡在液相中的生长和运动.研究了Al-4.0wt.%Cu合金在凝固过程中枝晶与气泡的相互作用,各向异性对凝固组织的影响以及枝晶与气泡共存时溶液密度的变化情况.结果表明：在定向凝固枝晶生长模型中,气泡先在枝晶底部析出,压差导致气泡上升,流动的过程中会与枝晶产生相互作用且会出现气泡合并与消失的情况,在枝晶间密集通道处大气泡会变成蠕虫形状.模拟区域的高长比会影响枝晶和气泡的生长情况,当高长比较小时更容易产生短而小的气泡,高长比较大时更容易产生蠕虫状气泡.在等轴枝晶生长模型中,气泡在枝晶间析出,随着枝晶的生长,气泡同样会发生合并与消失的情况,并且在受到挤压时发生形变.     

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.     

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.     

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.     

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。     

Preliminary study of non-isothermal phase change phenomena in vertical Bridgman crystal growth

Axisymmetric dual reciprocity boundary element method (DRBEM) with augmented items is extended to simulate the heat and mass transfer problems in the vertical Bridgman method (VBM) crystal growth of HgCdTe and CdZnTe. Axial solute concentration redistribution of three regions numerically reap-pears, and the influence of the pulling rate of the ampoule on it is further studied. Secondly, one di-mensional transient phase change phenomena is studied, and non-isothermal phase change phe-nomena is obtained from the initial transient region through the steady growth region to the final tran-sient region. Thirdly, the two-dimensional axisymmetric phase change interface position, interfacial shape and the temperature field of the melt and the crystal are numerically captured under the condi-tion to arrive at the steady state with zero pulling rate of the ampoule. Finally, the study of transient axisymmetric non-isothermal phase change phenomena is stressed and the results are compared with those in isothermal phase change. The influence of the pulling rate on non-isothermal phase change phenomena is revealed.     

薄带铸轧过程中微观偏析的模拟

针对薄带铸轧过程冷却速率大的特点,采用微观偏析模型对碳钢在薄带铸轧过程中溶质元素的微观偏析进行了模拟,通过模拟给出了铸轧凝固过程中固相率随温度的变化规律,固相率仅在很窄的温度范围内迅速增加·同时给出了冷却速率对溶质元素偏析的影响规律,随冷却速率的增加,溶质元素晶间偏析增大,而晶内偏析较小·在此基础上给出了碳钢薄带双辊铸轧过程中凝固终了温度值,为确定铸带凝固终了点的位置及铸轧过程的稳定性提供了有效的数据,为铸轧薄带的质量分析提供了理论依据·     

Simulation of Magnesium Alloy AZ91D Microstructure Using Modified Cellular Automaton Method

A two-dimensional modified cellular automaton model was developed to simulate the solidification process of magnesium alloy. The stochastic nucleation, solute redistribution, and growth anisotropy effects were taken into account in the present model. The model was used to simulate the grain size of magnesium alloy AZ91D for various cooling rates during the solidification process. To quantitatively validate the current model, metallographic experiments were carried out on specimens obtained from sand mold AZ...     

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.     

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.