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.     

合金凝固过程中等轴枝晶生长的数学模型

在枝晶晶粒的尺度上，从同时满足溶质守恒与热平衡的原则出发，提出了合金凝固过程中等轴枝晶生长的数学模型。该模型由４个相互联系的微分方程组成，可通过计算机求解，为模拟枝晶合金凝固组织的形成过程奠定了初步基础。     

相场法模拟界面能各向异性对枝晶生长行为的影响

采用修正的相场模型，模拟了纯物质在深过冷条件下界面能各向异性对晶体生长行为的影响．结果表明，各向异性模数很小时，枝晶形态为典型的海藻晶；当各向异性模数较大但仍小于临界值（1/15）时，枝晶形态为光滑枝晶；而当各向异性模数大于该临界值后，某些方向的生长将消失，呈现为棱面枝晶形态．当各向异性模数小于临界值（1/15）时，枝晶尖端生长速度随各向异性的增强而线性增大；当各向异性模数大于0.1后，枝晶尖端生长速度增大、速率减小并逐渐趋于定值．强各向异性与弱各向异性下的情况类似，枝晶尖端生长速度都表现出随界面厚度参数的减小而逐步收敛的趋势．     

枝晶生长的相场法数值模拟

利用一个简单的相场模型,对过冷熔体中枝晶的生长形貌进行数值模拟,定性分析各向异性强度、无量纲潜热及扰动因子等对枝晶形貌的影响.结果表明,枝晶主干生长速度随着各向异性强度的增大而增大,并且枝晶结构强烈依赖于各向异性强度;随着无量纲潜热的增大,晶体生长过程中枝晶结构特征愈加明显;扰动对枝晶结构特征有一定的影响,随着扰动因子的增加,枝晶间竞争生长加剧.     

连铸坯凝固过程平面枝晶微观偏析模拟研究

为解决连铸钢坯偏析问题,基于菲克第二定律和质量守恒定律,建立了一维平面枝晶生长凝固偏析数值模型。应用有限容积法离散传质方程,离散后的方程用VB编程求解,研究X70管线钢凝固过程中在二次枝晶间距范围内的C,Si,Mn,S,P各元素质量分数分布随凝固进程和冷却速率的变化规律。结果表明:固相率的变化对合金元素在二次枝晶间偏析影响较大,冷却速率对其影响较小;随着固相率的增加,各合金元素的固相成分增加较少,液相成分质量分数快速增加;S和P元素在固相中的分布较均匀,S凝固终了的偏析指数最高,C偏析指数最小。在实际生产中应适当控制S和P元素的含量。     

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...     

枝晶生长过程的相场方法模拟研究

采用相场方法对金属枝晶的生长过程进行数值模拟。用凝固相场方程描述过冷条件下枝晶生长的物理过程,同时在相场方程中耦合温度场方程以体现凝固过程中释放的潜热对相变的影响。采用有限差分法进行求解,讨论了松弛时间、方向角、界面宽度、熔点、各向异性、潜热等因素对枝晶的形状和生长的影响。结果表明,随着松弛时间、界面宽度和熔点的逐渐增加,晶体的生长速率也在逐渐增加,并且枝晶越来越发达。     

相场法模拟过冷熔体枝晶生长的界面厚度参数的取值

研究了用相场法模拟纯物质过冷熔体枝晶生长过程中,界面厚度的取值对模拟结果可靠性的影响及影响界面厚度取值的因素;然后,在选取合理界面厚度取值的基础上,计算了不同过冷度下纯镍过冷熔体枝晶生长的速度并与实验进行了比较.研究表明:为了获得可靠的计算结果,界面厚度的取值应足够小;合理的界面厚度的取值由过冷度、各向异性、界面动力学、热扩散系数等参数综合决定;在选取合理界面厚度的基础上,模拟结果与实验吻合,证明界面厚度足够小时可获得可靠的模拟结果.为相场法模拟过冷熔体枝晶生长时的界面厚度参数的取值提供了依据.     

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.     

液氢中固空枝晶生长凝固定量相场法研究

为探究固空形成过程中枝晶微结构演化和氧溶质非均匀分布规律,建立了描述固空枝晶生长凝固过程中枝晶形态演化和氧溶质分布的定量相场模型(QPFM),应用该模型对连续冷却条件下的固空单枝晶和多枝晶生长行为特性进行了研究,选择了两条特殊位置曲线定量表述氧溶质分布规律。结果表明：枝晶形态随初始过冷度增大而变得复杂,二次枝晶臂更为发达;氧溶质质量分数呈现枝晶内部贫氧外部富氧的分布特征,沿一次枝晶臂和二次枝晶臂的轴线形成了氧溶质质量分数较低的脊柱;多枝晶的相互作用破环了枝晶的对称形态;连续冷却条件下,固空枝晶二次枝晶臂随时间增长逐渐粗化、融合,固相率和最大氧溶质质量分数分别持续增长到最大值0.911 1和0.840 6;枝晶之间的间隙阻碍了氧溶质的扩散,使得氧溶质质量分数由单枝晶时的0.402升至多枝晶时的0.668。研究可为液氢系统的安全使用提供理论指导。     

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.     

Rapid dendritic growth of Al-Ge hypoeutectic alloy in a drop tube

Abstract Dendritic growth in Al-45% Ge hypoeutectic alloy has been investigated during free fall in a 3 m drop tube. Calculationsindicate that the undercooling obtained for the falling Al-45% Ge droplets ranges from 13 K to 201 K. The maximum undercooling attains0. 27 T_L. With the increase of undercooling, the primary (Al) phase undergoes a "columnar dendrite to equiaxed dendrite" structural tran-sition. According to the current rapid dendritic growth theory, the growth of primary (Al) phase is always controlled by solute diffusion.     

基于KGT模型的AZ91铸态合金晶粒尺寸预测

基于枝晶生长动力学模型(KGT模型),运用晶核自由生长理论计算了在添加细化剂条件下铸态AZ91合金组织的平均晶粒尺寸,并对该模型进行了基于实测数据(以Al-Sr-Mn-Ti-C为细化剂)的有效性分析。结果表明,模型计算值与实测值吻合良好,在细化剂粒子尺寸分布为已知的前提下,利用KGT模型预测异质形核过程中Mg-Al系合金铸态组织的平均晶粒尺寸是可行的。     

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.     

Primary dendrite growth of Ni<Subscript>3</Subscript>Sn intermetallic compound during rapid solidification of undercooled Ni-Sn-Ge alloy

Liquid Ni-31.7%Sn-2.5%Ge alloy was highly undercooled by up to 238 K(0.17TL) with glass fluxing and drop tube techniques.The dendritic growth velocity of primary Ni3Sn compound shows a power-law relation to undercooling and achieves a maximum velocity of 380 mm/s.The addition of Ge reduces its growth velocity as compared with the binary Ni75Sn25 alloy.A structural transition from coarse dendrites into equiaxed grains occurs once undercooling exceeds a critical value of about 125 K,which is accompanied by both grain refinement and solute trapping.The Ni3Sn intermetallic compound behaves like a normal solid solution phase showing nonfaceted growth during rapid solidification.     

Microstructure transition of Al-Cu eutectic alloy during containerless rapid solidification

Droplets of Al-32.7%Cu eutectic alloy were rapidly solidified during containerless processing in a 3 m drop tube. The microstructural evolution of Al-Cu eutectic alloy depends strongly on droplet size. The eutectic growth morphology changes from regular lamellar eutectic to a kind of anomalous eutectic with the decrease in droplet size. This microstructural transition was analyzed within the current theories of eutectic growth. The results indicate that there exists a critical velocity for eutectic growth beyond which anomalous eutectic appears. The coupled zone of the Al-Cu eutectic alloy system has been calculated on the basis of the Trivedi-Magnin-Kurz(TMK) eutectic growth and the Lipton-Kurz-Trivedi(LKT)/Boettinger-Coriell-Trivedi(BCT) dendrite growth models, which provides a further interpretation for the morphological transition.     

An investigation on supercooling directional solidification process of Cu-Ni single phase alloy

Supercooling directional solidification (SDS) is put fotward by combination of melt supercooling and conventional solidification by application of supercooling inheritance. On the self-designed SDS equipment, SDS of Cu-Ni alloy was achieved successfully The results are as follows f (i) The primary arm spacing is about 30 μm, the growth of secondary arms are strongly suppressed. The primary arm spacing is nearly the same as LMC method (GL=25 K/mm, V=500 pm/s), the primary stems are straight, fine and completed. with an inclination angle of about 5.8° (ii) A semi-quantitative T-T model is brought fotward to describe the dendrite growth rate V vs. undercooling AT The prediction of T-T model agrees well with experimental results. The formation of fine equiaxed dendrites, transition region and dendrite region can be explained successfully by △T-V-x relation of T-T model.     

横向约束对Fe-C合金凝固微观组织的相场法模拟

以Fe-C二元合金为例,采用多相场法模拟了横向约束条件下枝晶与共析组织微观形貌的演化过程,探讨了横向约束的长度、厚度对枝晶与共析组织生长形貌的影响.结果表明:横向约束的存在限制了枝晶和共析组织的正常生长,横向约束上方的微观组织形貌明显改变;随着横向约束长度的增加,横向约束上方的枝晶间距明显减小,共析组织的层间距越来越大;随着横向约束厚度的增加,横向约束上方新枝晶的生长速度降低,共析组织中Fe₃C相偏转增大,使得层间距变大.     

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.     

High undercooling and rapid dendritic growth of Cu-Sb alloy in drop tube

Droplets of Cu-20%Sb hypoeutectic alloy has been rapidly solidified in drop tube within the containerless condition. With the decrease of droplet diameter, undercooling increases and the microstructures of primary copper dendrite refines. Undercooling up to 207 K (0.17 T _L) is obtained in experiment. Theoretic analysis indicated that because of the broad temperature range of solidification, the rapid growth of primary copper dendrite is controlled by the solutal diffusion. Judging from the calculation of T₀ curve in the phase diagram, it is shown that the critical undercooling of segregationless solidification is δT ₀ = 474 K. At the maximum undercooling of 207 K, the growth velocity of primary copper phase exceeds to 37 mm/s, and the distinct solute trapping occurs.