激光立体成形中熔池凝固微观组织的元胞自动机模拟

本文通过采用自适应网格技术, 将激光立体成形的宏观温度场模型和凝固微观组织的低网格各向异性元胞自动机模型(cellular automaton, CA)结合, 建立了适用于激光立体成形的集成数值模型. 模型包括基材的温度场分布, 熔池形貌和熔凝过程的凝固微观组织. 模拟了激光扫描速度为15 mm/s时, 激光作用在Fe-C单晶基材上形成熔池的形状以及熔池内凝固微观组织. 计算结果揭示了熔池内固液界面从平界面失稳到胞\枝晶的非稳态凝固过程, 并得到了平界面组织形成的白亮带. 白亮带上方形成了外延生长的枝晶列.     

晶体取向对定向凝固枝晶生长的影响

采用类金属透明模型合金丁二腈-1.0 wt%乙醇(SCN-1.0 wt% Eth)合金, 考察了晶体取向对定向凝固过程中晶粒的平界面失稳孕育时间、枝晶形态演化以及枝晶一次间距的影响. 结果表明, 随着枝晶择优生长方向与温度梯度方向夹角的增大, 晶粒的平界面失稳孕育时间增加, 界面的稳定性增强; 对于不同晶体取向的枝晶形态演化, 枝晶择优生长方向与温度梯度方向夹角越大, 枝晶二次臂不对称生长越严重, 同时, 具有生长优势的枝晶二次臂对相邻枝晶的生长的抑制越强烈; 至于不同晶体取向的枝晶一次间距, 随着枝晶择优生长方向与温度梯度方向夹角的增大, 枝晶一次间距增大. 关键词： 定向凝固 平界面失稳 枝晶间距 晶体取向     

用元胞自动机方法模拟镁合金薄带双辊铸轧过程凝固组织

用元胞自动机方法模拟铸轧凝固组织,采用有限元方法模拟铸轧过程中熔池内部的宏观传输现象,将二者耦合模拟了镁合金铸轧薄带凝固过程中晶粒的形核与长大过程.阐明了薄带铸轧工艺过程中的主要工艺参数（浇注温度、铸轧速度等）对镁合金薄带凝固组织中晶粒大小、取向等的影响规律.这为通过工艺优化来控制铸轧薄带的凝固组织提供了理论依据. 关键词： 双辊铸轧 镁合金 凝固组织 元胞自动机     

Ti-45at.% Al合金定向凝固过程中显微组织演化的计算机模拟

采用基于溶质扩散控制模型CA方法对Ti-45at.% Al合金定向凝固过程中显微组织演化过程进行了数值模拟.模拟结果表明,在温度梯度较高时,初生晶核间距无论大小,均可通过分枝或竞争生长而使一次胞晶/枝晶间距得到调整.在抽拉速度一定情况下,随着温度梯度增加,胞晶/枝晶间距减小,在温度梯度一定情况下,随着抽拉速度增大,观察到胞晶/枝晶混合结构,混合结构区随温度梯增大而增大,模拟结果与实验观察相符合. 关键词： Ti-45at.% Al合金 定向凝固 组织演化 数值模拟     

CA-LBM模型模拟自然对流作用下Al-4.7%Cu合金的枝晶生长

建立耦合温度场、流场、溶质场的CA-LBM(元胞自动机格子玻尔兹曼方法)数值模型模拟了Al-4.7%Cu固溶体合金的凝固过程。模拟结果再现了自然对流条件下单个枝晶、多个枝晶的生长以及柱状晶向等轴晶转变过程。研究结果表明,自然对流对单个枝晶形貌有明显的影响,使枝晶生长非对称化,即迎流方向的枝晶生长得到促进,顺流方向的枝晶生长受到抑制。对铸锭CET过程的计算表明,自然对流促进温度均匀化,在凝固过程中等温线弯曲程度先增大后减小。另外,自然对流加速了凝固进程,并有细化晶粒的作用。CA-LBM模型再现了自然对流条件下柱状晶的竞争生长、柱状晶向等轴晶的转变以及溶质的晶界偏析。     

定向倾斜枝晶生长规律及竞争行为的相场法研究

采用多相场模型对定向凝固过程中倾斜枝晶生长进行了研究, 模拟了单一取向枝晶列的演化规律及不同取向枝晶列汇聚生长竞争淘汰行为. 结果表明, 枝晶尖端过冷度随倾斜角度的增大而增大, 即相同条件下倾斜枝晶尖端位置总是低于非倾斜枝晶; 汇聚生长时择优取向枝晶总是阻挡非择优取向枝晶, 但在抽拉速度较低时, 由于溶质扩散场的相互重叠, 晶界处择优取向枝晶的生长受到相邻非择优枝晶的影响而延缓, 这可能导致非择优取向枝晶淘汰择优取向枝晶.     

元胞自动机方法模拟枝晶生长

为了能够准确反映具有明显界面的枝晶生长过程，利用元胞自动机方法模拟了凝固过程中固液两相具有不同热物理性质的枝晶生长.在模拟过程中发现，凝固过程中溶质易于富集在枝晶臂之间，同时随着凝固时间的延长，界面前沿的溶质浓度梯度和温度梯度逐渐下降.利用模拟所得的枝晶尖端半径与理论计算的相比较，发现随着枝晶尖端速度的增加，枝晶尖端半径逐渐下降，模拟与理论结果符合较好，偏差小于1μm. 关键词： 枝晶生长 凝固 偏析 模拟     

基于元胞自动机方法的定向凝固枝晶竞争生长数值模拟

通过耦合温度场模型、溶质扩散方程以及枝晶生长动力学方程等重要因素,建立了一种改进的元胞自动机模型.该模型通过采用偏心算法消除网格各向异性,实现了二维尺度上任意角度枝晶生长的模拟,同时适用于模拟三维尺度上枝晶的生长过程.利用建立的模型开展了定向凝固枝晶竞争生长过程的数值模拟.为了体现本模型的有效性,模拟了透明合金的竞争生长过程,并与实验结果符合良好.镍基高温合金汇聚竞争和发散竞争的模拟结果清楚地展现了不同抽拉速度和枝晶优先生长角度下枝晶的竞争生长过程,并且模拟结果与理论模型相符合.三维枝晶生长的模拟结果表明本模型可以用来模拟三维枝晶一次臂间距的调整过程.     

二元合金多晶粒的枝晶生长的等温相场模型

基于Ginzburg-Landau理论和单晶粒的枝晶生长模型，发展了一个单相场控制的多个晶粒的枝晶生长模型. 采用相场和溶质场耦合的方法，以Al-2%Cu合金为例模拟了二元合金等温凝固过程中多个晶粒的生长过程. 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，能较真实的再现凝固过程中的枝晶的生长过程.     

界面能各向异性对定向凝固枝晶生长的影响

采用元胞自动机 (cellular automaton, CA) 模型研究了界面能各向异性对二维定向凝固枝晶生长的影响. 模拟结果显示当晶体的择优生长方向与热流方向一致时, 随着界面能各向异性强度的增大, 凝固组织形态由弱界面能各向异性时的海藻晶转变为强界面能各向异性时的树枝晶. 同时, 界面能各向异性强度会影响稳态枝晶尖端状态的选择, 界面能各向异性越强, 定向凝固稳态枝晶尖端半径越小, 尖端界面前沿的液相浓度和过冷度越小. 稳态枝晶生长的尖端状态选择参数与界面能各向异性强度也存在标度律的指数关系, 而枝晶一次间距则受界面能各向异性强度影响较弱. 当晶体的择优生长方向与热流方向呈-40°夹角时随着界面能各向异性强度的增大, 凝固组织形态由海藻晶逐渐转变为退化枝晶, 后又逐渐转变为倾斜枝晶. 关键词： 元胞自动机 枝晶 界面能各向异性     

Multi-phase field simulation of competitive grain growth for directional solidification

The multi-phase field model of grain competitive growth during directional solidification of alloy is established. Solving multi-phase field models for thin interface layer thickness conditions, the grain boundary evolution and grain elimination during the competitive growth of SCN-0.24-wt% camphor model alloy bi-crystals are investigated. The effects of different crystal orientations and pulling velocities on grain boundary microstructure evolution are quantitatively analyzed. The obtained results are shown below. In the competitive growth of convergent bi-crystals, when favorably oriented dendrites are in the same direction as the heat flow and the pulling speed is too large, the orientation angle of the bi-crystal from small to large size is the normal elimination phenomenon of the favorably oriented dendrite, blocking the unfavorably oriented dendrite, and the grain boundary is along the growth direction of the favorably oriented dendrite. When the pulling speed becomes small, the grain boundary shows the anomalous elimination phenomenon of the unfavorably oriented dendrite, eliminating the favorably oriented dendrite. In the process of competitive growth of divergent bi-crystal, when the growth direction of favorably oriented dendrites is the same as the heat flow direction and the orientation angle of unfavorably oriented grains is small, the frequency of new spindles of favorably oriented grains is significantly higher than that of unfavorably oriented grains, and as the orientation angle of unfavorably oriented dendrites becomes larger, the unfavorably oriented grains are more likely to have stable secondary dendritic arms, which in turn develop new primary dendritic arms to occupy the liquid phase grain boundary space, but the grain boundary direction is still parallel to favorably oriented dendrites. In addition, the tertiary dendritic arms on the developed secondary dendritic arms may also be blocked by the surrounding lateral branches from further developing into nascent main axes, this blocking of the tertiary dendritic arms has a random nature, which can have aninfluence on the generation of nascent primary main axes in the grain boundaries.     

基于改进元胞自动机模型的三元合金枝晶生长的数值模拟

在二元合金元胞自动机模型的基础上,通过耦合多元合金热力学相平衡求解器PanEngine, 建立了三元合金改进的元胞自动机模型,可模拟初生相枝晶的生长过程. 模型考虑了曲率过冷和成分过冷对界面平衡溶质成分的影响,通过不同组元的无量纲溶质过饱和度方程和界面溶质守恒方程之间的耦合来求解界面生长速率,并通过PanEngine计算界面处的液相线温度. 采用本模型模拟了Al-7%Si-xMg三元合金自由枝晶的生长形态, 结果表明Mg含量的增加会抑制枝晶一次臂的生长和二次臂的产生.同时模拟了不同抽拉速度下 Al-7%Si-0.5%Mg合金柱状枝晶的竞争生长过程,随着抽拉速度的增大,柱状枝晶一次枝晶臂间距逐渐减小, 与Hunt理论模型符合较好.     

Seaweed to dendrite transition in directional solidification

We simulate directional solidification using a phase-field model solved with adaptive mesh refinement. For small surface tension anisotropy directed at 45 degrees relative to the pulling direction we observe a crossover from a seaweed to a dendritic morphology as the thermal gradient is lowered, consistent with recent experimental findings. We show that the morphology of crystal structures can be unambiguously characterized through the local interface velocity distribution. We derive semiempirically an estimate for the crossover from seaweed to dendrite as a function of thermal gradient and pulling speed.     

二元合金多晶粒的枝晶生长的等温相场模型

基于Ginzburg-Landau理论和单晶粒的枝晶生长模型,发展了一个单相场控制的多个晶粒的枝晶生长模型. 采用相场和溶质场耦合的方法,以Al-2%Cu合金为例模拟了二元合金等温凝固过程中多个晶粒的生长过程. 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,能较真实的再现凝固过程中的枝晶的生长过程. 关键词： 相场法 多晶粒 等温凝固 二元合金     

Numerical study of growth competition between twin grains during directional solidification by using multi-phase field method

A multi-phase field model is established to simulate the growth competition and evolution behavior between seaweed and columnar dendrites during directional solidification.According to the effects of surface tension and interfacial energy,we quantitatively analyze the influences of factors such as inclination angles,pulling velocity,and anisotropic strength on twin growth.The results demonstrate that the pulling velocity and anisotropic strength have an important influence on the morphology and evolution of the seaweed and dendritic growth.The low pulling velocity and anisotropic strength are both key parameters for maintaining the stable morphology of seaweed during competitive growth in a bicrystal,showing that the lateral branching behavior is the root of the dendrites that can ultimately dominate the growth.And it is clarified that the lateral branching behavior and lateral blocking are the root causes of the final dominant growth of dendrites.With the increase of anisotropy strength,the seaweed is eliminated fastest in case 1,the seaweed is transformed into degenerate dendritic morphology,and eliminates the seaweed by promoting the generation and lateral growth of the lateral branches of the dendrites.The increase of pulling velocity is to increase the undercooling of favorable oriented grain and accelerate the growth rate of dendrites,thus producing more new primary dendrites for lateral expansion and accelerating the elimination rate of unfavorable oriented grain.     

对流作用下枝晶形貌演化的数值模拟和实验研究

合金凝固过程中存在于枝晶尖端液相区的强制对流和自然对流均能改变溶质扩散层厚度,从而会对枝晶形貌产生较大影响.在元胞自动机模型基础上,耦合液体流动方程、热传导方程和溶质对流扩散方程,建立了新的计算微观组织演化的数值模型,并利用该模型研究了强制对流和自然对流对枝晶生长的影响.三维数值模拟结果再现了强制对流作用下等轴枝晶的生长过程,揭示了强制对流对枝晶生长速率和尖端半径的影响特点.同时利用该模型模拟了NH₄Cl-H₂O溶液定向凝固过程中自然对流对柱状晶生长的影响,并采用相应的实验进行验证.模拟结果与实验结果符合良好,从而证明该模型是可靠的,可推广到实际合金系中. 关键词： 元胞自动机 对流 4Cl-H₂O溶液')" href="#">NH₄Cl-H₂O溶液 定向凝固