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     

切向流动作用下SCN-3wt% H2O枝晶定向生长过程研究

实时观察了切向流动作用下SCN-3wt% H₂O合金的定向凝固过程,研究了该合金枝晶生长方向、尖端半径、枝晶一次臂间距以及二次臂生长速度的变化规律.实验观察到能够代表枝晶尖端溶质边界层的“亮带”,该亮带在流动作用下的非对称性证实了切向流动能够改变枝晶前沿溶质的对称分布,使溶质边界层厚度沿背流侧向迎流侧逐渐减薄,枝晶生长发生迎流偏转,且偏转角度随抽拉速度的提高而减小.同时,流场与浓度场的耦合促进枝晶间的优胜劣汰,枝晶一次臂间距显著增大.固液界面处的强迫流动还能够引发相邻枝晶间环流,加速迎流处二次臂生长而抑制背流处生长. 关键词： 定向凝固 枝晶生长 切向流动     

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.     

等温凝固多晶粒生长相场法模拟

采用Kim模型，利用耦合溶质场的相场模型对Al-2-mole-Cu合金等温凝固过程中多晶粒相互影响下枝晶的生长过程进行数值模拟，为了提高计算效率，采用差分去实现宏微观场之间的耦合.研究了不同过冷度对多晶粒枝晶形貌和溶质分布的影响，结果表明：成分过冷对枝晶生长速度和溶质分配有着重大的影响，溶质元素Cu在固液界面前沿重新分布，结果导致实际热过冷减小，进而影响枝晶的生长和溶质向外层的扩散，致使相互接触的枝晶产生萎缩而其余没有受到抑制的枝晶生长方向产生择优现象. 关键词： 相场法 模拟 择优生长 等温凝固 二元合金     

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     

二元合金高速定向凝固过程的相场法数值模拟

利用相场法对二元合金高速定向凝固过程进行了模拟，为简化计算，采用了温度冻结近似.模拟了定向凝固时平界面失稳、界面形态演化、溶质浓度分布以及高速绝对稳定性条件下胞晶向平面晶的转变等，得到了不同抽拉速度下胞晶间距、胞晶尖端温度以及有效溶质分配系数等参数，显示了高速生长条件下的溶质截留效应. 关键词： 定向凝固 相场法 高速绝对稳定性 溶质截留     

液相对流对定向凝固胞/枝晶间距的影响

采用类金属透明模型合金丁二腈-1.8 wt%丙酮(SCN-1.8 wt%Ace)合金, 研究了平行于生长界面前沿的液相对流对定向凝固胞/枝晶生长行为及胞/枝晶间距的影响. 对于胞晶生长, 在液相对流作用下, 其尖端将会出现分岔, 使得胞晶间距减小, 并且液相对流流速越大, 胞晶尖端分岔越明显, 胞晶组织越细小, 胞晶间距越小. 至于枝晶生长, 其生长行为与胞晶不同. 当抽拉速度较小时, 液相对流作用下枝晶两侧三次臂的生长速度将会超过枝晶尖端生长速度, 形成新的枝晶列, 使得枝晶一次间距减小, 并且液相对流流速越大枝晶一次间距越小; 当抽拉速度较大时, 液相对流作用下迎流侧二次臂生长发达,且会抑制上游枝晶生长, 使得枝晶一次间距增大, 并且液相对流越强枝晶一次间距越大. 关键词： 定向凝固 胞晶间距 枝晶间距 液相对流     

层状共晶定向凝固

本文从理论和实验两方面研究层状共晶定向凝固。理论上将层状共晶定向凝固与胞晶列定向凝固及Hele-Shaw胞中粘性指发展进行类比,给出层状共晶稳态凝固条件下溶质扩散、热传输与界面张力效应之间的耦合系,导出λ²ν=consi标度关系。实验上考察了规则Al-Al₂Cu共晶和非规则Al-Si共晶定向凝固,证实耦合关系存在。还讨论了两种共晶凝固界面特征和热传输的影响。 关键词：     

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.     

磁场对二元合金凝固过程中糊状层稳定性的影响

利用线性稳定性方法研究了外加磁场对二元合金凝固过程中糊状层稳定性的影响,且模型同时考虑了温度场、浓度场和流动的耦合作用.利用计算得出的色散关系式分析了磁场对糊状层稳定性的影响,其中包括直接模式和振荡模式.给出了不同情况下外加磁场对糊状层稳定性的影响,发现磁洛伦兹力可以减小由浮力引起的失稳效应.振荡模式下外加磁场对糊状层产生稳定作用,但直接模式下外加磁场对糊状层的稳定作用具有不确定性.本文所给出结果为工业中利用外加磁场改善产品的质量提供了重要的理论参考.     

The effect of ultrasonic processing on solidification microstructure and heat transfer in stainless steel melt

The heat transfer in the ultrasonic processing of stainless steel melt is studied in this thesis. The temperature field is simulated when the metal melt is treated with and without ultrasound. In order to avoid the erosion of high temperature melt, ultrasound was introduced from the bottom of melt. It is found that the temperature of melt apparently increases when processed with ultrasound, and the greater the ultrasonic power is, the higher the melt temperature will be; ultrasonic processing can reduce the temperature gradient, leading to more uniform temperature distribution in the melt. The solidification speed is obviously brought down due to the introduction of ultrasound during solidification, with the increasing of ultrasonic power, the melt temperature rises and the solidification speed decreases; as without ultrasound, the interface of solid and mushy zone is arc-shaped, so is the interface of liquid and mushy zone, with ultrasound, the interface of solid and mushy zone is still arc-shaped, but the interface of liquid and mushy zone is almost flat. The simulation results of temperature field are verified in experiment, which also indicates that the dendrite growth direction is in accord with thermal flux direction. The effect of ultrasonic treatment, which improves with the increase of treating power, is in a limited area due to the attenuation of ultrasound.     

Phase field simulation of the columnar dendritic growth and microsegregation in a binary alloy

This paper applies a phase field model for polycrystalline solidification in binary alloys to simulate the formation and growth of the columnar dendritic array under the isothermal and constant cooling conditions. The solidification process and microsegregation in the mushy zone are analysed in detail. It is shown that under the isothermal condition solidification will stop after the formation of the mushy zone, but dendritic coarsening will progress continuously, which results in the decrease of the total interface area. Under the constant cooling condition the mushy zone will solidify and coarsen simultaneously. For the constant cooling solidification, microsegregation predicted by a modified Brody- Flemings model is compared with the simulation results. It is found that the Fourier number which characterizes microsegregation is different for regions with different microstructures. Dendritic coarsening and the larger area of interface should account for the enhanced Fourier number in the region with well developed second dendritic arms.     

Distribution of components in single crystals grown from completely mixed melts of Hg1−xCdxTe and Pb1−xSnxTe systems

Summary A method is given to calculate the maximum compositional gradient in single crystals, grown by unidirectional solidification, of binary or pseudobinary materials. The calculation is based on the data obtained from the phase diagrams. Compositional gradients of HgTe-CdTe and PbTe-SnTe systems along the growth axis are shown.     

THE NATURE OF NATURAL CONVECTION IN BINARY GASES DUE TO HORIZONTAL TEMPERATURE AND VERTICAL CONCENTRATION GRADIENTS

Abstract

Results are presented that illustrate the effect of augmenting or opposing thermal and solutal body forces on the flow, temperature and concentration distributions. For augmenting buoyancy forces, the flow field is very similar to that for a single-component fluid. Multicellular flow patterns are observed for opposing buoyancy forces that depend on the buoyancy parameter. The solutal buoyancy force does not dominate the flow field for all values of opposing body forces, because the solutal gradient is vertical. The concentration gradient affects the natural convection through both the additional buoyancy force and the thermophysical properties of the gas mixture.     

相场法模拟多元合金过冷熔体中的枝晶生长

在二元合金相场模型研究的基础上，进行扩展获得了多元合金相场模型.以Al-Si-Mg三元合金为例，采用该相场模型实现了逼真地模拟多元合金凝固过程的等轴枝晶生长，得到了二次或更高次晶臂生长等复杂的枝晶形貌.随着第三组元Mg含量的减少，枝晶的二次枝晶越发达，枝晶中溶质的偏析越严重，枝晶尖端的生长速率和半径越大，与丁二腈-丙酮体系中枝晶尖端生长速率、半径随溶质浓度变化关系的理论计算和实验结果相符合.另外，枝晶初生晶臂中心的溶质浓度最低，在被二次晶臂包围的界面区域的溶质浓度最高；固液界面区域具有较大的浓度梯度，其中枝晶尖端前沿的梯度最大. 关键词： 相场法 多元合金 凝固过程 枝晶生长     

Shear flow, phase change and matched asymptotic expansions: Pattern formation in mushy layers

In many scientific and engineering problems the solidification of an alloy leads to a highly convoluted crystalline matrix modeled as a thermodynamically controlled reactive porous medium called a mushy layer. We analyze the interaction of an external shear flow with a solidifying mushy layer through a corrugated mush-liquid interface. We find that the external flow can drive forced convective motions within the mushy layer resulting in the formation of a pattern of dissolution and solidification features transverse to the overall flow. Here we seek to lay bare the underlying processes through a systematic comparison of matched asymptotic expansions and numerical solutions. The success of our modeling effort draws substantially upon understanding gleaned from the fluid mechanics of boundary layers and the theory of multi-component solidification. The results have a broad range of implications in geophysics and materials science.     

温度梯度区域熔化作用下熔池迁移的元胞自动机模拟

本文采用耦合凝固和熔化效应的二维元胞自动机(cellular automaton, CA)模型,对温度梯度区域熔化(temperature gradient zone melting, TGZM)效应引起的熔池在固液两相区中的迁移现象进行模拟研究.模拟分析了抽拉速度、熔池初始位置、温度梯度和合金成分等因素对TGZM动力学的影响,并将模拟结果与解析模型的预测结果进行比较验证.通过模拟发现,在温度梯度作用下,熔池总是向着高温方向迁移;当抽拉速度低于或高于临界抽拉速度时,熔池朝向移动的液相线或固相线迁移;对于给定的抽拉速度,位于糊状区内临界位置以上的熔池会迁移进入液相,而位于临界位置以下的熔池会逐步靠近固相线.此外,温度梯度越高,合金成分越低,熔池的迁移速度越快.     

分离结晶Bridgman法晶体生长过程的影响因素

本文采用全局数值模拟方法探讨了微重力条件下温度梯度对分离结晶Bridgman法晶体生长系统的作用规律。同时,在常重力条件下研究了坩埚半径对晶体生长系统的影响。结果发现,在微重力条件下随着温度梯度的增加,晶体生长系统内部的流动强度随之增加,且由于晶体生长系统低温区温度不断降低,使得结晶界面位置不断上升;在常重力条件下,重力的作用随着坩埚半径的增加而增强,导致晶体生长系统内部的流动强度增加,最大流函数增大。