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.     

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.     

纯物质过冷熔体中自由枝晶生长相场模型的自适应有限元法模拟

基于自适应有限元方法,通过求解表征纯物质相场模型的非线性抛物型方程,研究镍过冷熔体中不同起伏情况下单个完整等轴枝晶的演化过程.模拟结果表明:采用自适应有限元方法求解相场模型时结果更接近真实物理模型,在计算终止时整个计算域节点数仅为2.79×105个,远小于采用相同网格间距普通方法的1.6×106个,较大不同计算域对枝晶尖端速度的平衡值影响不大;随着起伏强度的增大,枝晶尖端获得更高的温度梯度,等温线波动更大,一次枝晶臂表面失稳,二次枝晶臂向过冷溶液中凸起的趋势越强,二次枝晶臂越发达.     

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.     

微型方直管中液滴的流动与变形

讨论了二相流体在微型管中的流动问题、边界条件与表面浸润现象,给出了微型管中二相流体的输运方程.针对方形微型管道,利用有限差分法给出了输运方程的数值求解方法.模拟了方形直管中单个和多个液滴的流动与变形过程,通过数值模拟结果发现,量纲为一的参数Pe和Ca对液滴的变形有很大影响,随着Pe的增大,液滴的变形急剧增大,当毛细数在0.35~0.50之间时,液滴尾部的曲率逐渐减小,由正值开始变成负值,形成一个凹陷.     

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.     

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.     

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.     

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。     

Microscopic phase-field simulation including elastic strain energy for early precipitation process of Ni-Al alloys with medium Al content

The early precipitation process of Ni-Al alloy was studied on the atomic scale based on the microscopic phase-field kinetic model. We investigated the effect of elastic strain energy on precipitation mechanism and morphological evolution of the alloy. Simulation results show that at the early stage of precipitation, γ′ ordered phase presents non-directional and irregular shape during the process of aging, the γ′ ordered phases change into the quadrate shape and their orientations become more obvious; at the later stage, the γ′ precipitates present quadrate shape with round corner and align along the [ 100 ] and [ 010 ] directions. The mechanism of early precipitation for Ni-13at. % Al alloy is the mixed mechanism of non-classical nucleation growth and spinodal decomposition and near to non-classical nucleation growth, and the mechanism of early precipitation for Ni-15.8at. % Al alloy is the mixed mechanism of non-classical nucleation growth and spinodal decomposition and near to spinodal decomposition.