用CA方法模拟界面能各向异性对胞晶生长形态的影响

用元胞自动机（CellularAutomaton,CA）模型研究了界面能各向异性对二维定向凝固胞晶的生长形态的影响,建立了判定胞晶生长达到稳态的判据．结果显示,当界面能各向异性强度非常小时,胞晶尖端很容易分岔,胞晶形态不容易稳定．而当界面能各向异性强度足够大时,容易形成稳定的胞晶形态,同时界面能各向异性强度会显著影响稳定胞晶的形态,界面能各向异性越强,稳态胞晶间距越小,胞晶尖端半径越小,尖端半径与胞晶间距的比值越小,固液界面前沿的浓度与过冷度越小．     

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     

晶体取向对定向凝固平界面失稳行为的影响

采用丁二腈-丙酮透明模型合金研究了不同晶体取向的晶粒在定向凝固条件下的平界面失稳过程.实验选择了三个界面失稳后具有不同生长形态的典型晶粒作为研究对象, 分别为择优生长枝晶、倾斜枝晶和海藻晶.结果表明可发展为择优生长枝晶的晶粒的平界面失稳孕育时间和初始扰动波长最小,海藻晶次之, 倾斜枝晶最大,这与以往的解析结果和相场模拟结果一致. 同时,实验观察发现可发展为择优生长枝晶和倾斜枝晶的晶粒的界面非稳态演化过程与海藻晶显著不同,这表明平界面失稳的非稳态演化过程与晶体取向相关.     

各向异性表面张力对定向凝固中深胞晶生长的影响

利用匹配渐近展开法和多变量展开法求出定向凝固深胞晶生长的浓度场和界面形态的全局渐近解,研究各向异性表面张力对定向凝固深胞晶生长的影响.结果表明,各向异性表面张力对定向凝固过程深胞晶生长有显著的影响.随着各向异性表面张力增大,胞晶前端部分浓度减小而胞晶界面收缩;胞晶根部的浓度增大而界面曲率增大或根部的曲率半径减小,各向异性表面张力使得深胞晶界面振幅增加.本文结果能够计算定向凝固过程中深胞晶生长的浓度、界面形态.     

基于MeshTV界面重构算法的二元合金自由枝晶生长元胞自动机模型

本文基于MeshTV界面重构算法, 发展了二元合金凝固自由枝晶生长的元胞自动机 (cellular automaton, CA) 模型. 通过采用MeshTV界面重构算法, 在细化的界面元胞内重构出了固液界面的位置. 在此基础上, 发展了一种同时适合描述纯物质与合金凝固界面生长的动力学模型. 与非界面重构的CA模型相比, 本文所发展的模型可以在较大的网格尺寸下实现模型的收敛, 同时网格各向异性不明显, 且能够反映界面能各向异性参数ε 对自由枝晶生长的影响. 在ε =0.02时, 通过与描述自由枝晶生长的LGK理论模型相比较, 发现计算的枝晶尖端速度与LGK理论模型的预测符合较好, 而计算的枝晶尖端半径比LGK理论预测值大于约20%.     

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     

过冷熔体中枝晶生长的相场法数值模拟

利用相场法模拟了过冷纯金属熔体中的枝晶生长过程,研究了各向导性、界面动力学、热扩散和界面能对枝晶生长的影响.结果表明,热噪声可以促发侧向分支的形成,但不影响枝晶尖端的稳态行为;随着各向异性的增加,枝晶尖端生长速度增加,尖端半径减小;当界面动力学系数减小及在界面动力学系数小于1的条件下热扩散系数减小时,枝晶尖端生长速度随之减小,而尖端半径相应增大;界面能趋于增大枝晶尺度并保持界面在扰动下的稳定,界面能越大,形成侧向分支的趋势越小 关键词： 过冷 枝晶生长 相场法 数值模拟     

相场模型模拟液固界面各向异性作用下自由枝晶生长

采用自适应有限元方法求解相场模型,分别对界面能各向异性和界面动力学各向异性条件下自由枝晶生长过程进行了模拟.计算表明两种各向异性均显著影响枝晶的生长,随着各向异性的增大枝晶尖端生长速度增大,尖端半径降低. 两种各向异性对自由枝晶生长有着不同形式的影响,在界面能各向异性条件下,枝晶生长稳定性系数与各向异性系数成幂函数关系;而在动力学各向异性条件下,稳定性系数与各向异性系数成线性关系. 关键词： 界面能各向异性 动力学各向异性 自由枝晶生长 相场模型     

各向异性表面张力对深胞晶界面形态稳定性的影响

应用匹配渐近展开法和多变量展开法研究各向异性表面张力对定向凝固中深胞晶界面形态稳定性的影响, 通过寻找定向凝固系统的模式解获得了深胞晶界面形态满足的量子化条件. 结果表明, 与各向同性的定向凝固系统中深胞晶界面形态稳定性比较, 考虑各向异性表面张力的定向凝固中深胞晶生长界面形态也有两种整体不稳定性机制: 整体波动不稳定性和低频不稳定性. 随着各向异性表面张力的增加, 中性模式产生强振荡的枝晶结构的整体波动不稳定性的不稳定区域减小, 中性模式产生弱振荡的胞晶结构的低频不稳定性的不稳定区域增加.     

各向异性界面动力学与各向异性表面张力的相互作用对定向凝固过程中深胞晶生长的影响

通过应用匹配渐近展开法和多变量展开法研究了各向异性界面动力学与各向异性表面张力的相互作用对定向凝固过程中深胞晶生长的影响.结果表明:当各向异性界面动力学与各向异性表面张力的偏好方向之间相差角度为θ_0时,θ_0会对深胞晶生长形态产生影响;当0≤θ_0≤π/4时,随着θ_0的增大,深胞晶的指状界面全长减小,深胞晶根部的深度减小,根部附近界面的曲率减小,而曲率半径增大;当π/4≤θ_0≤π/2时,随着θ_0的增大,深胞晶的指状界面全长增大,深胞晶根部的深度增大,根部附近界面的曲率增大,而曲率半径减小.     

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.     

宏微观耦合模拟熔池不同区域中枝晶竞争生长过程

针对熔化焊过程建立了宏微观耦合模型,模拟了熔池内不同区域凝固过程中随机取向枝晶的竞争生长过程. 通过宏观三维有限元模型计算熔池中瞬态的传热传质过程,利用双线性插值算法将凝固参数传递给微观组织模型. 采用元胞自动机法模拟随机取向的枝晶在熔池凝固条件下的竞争生长过程. 模拟结果表明,所建立的微观模型能够精确模拟任意生长取向的枝晶. 凝固条件中最大温度梯度方向对枝晶竞争过程有明显选择作用,生长方向与最大温度梯度方向相同或接近的枝晶在竞争中具有更大优势. 焊缝中的晶粒组织由枝晶簇发展形成,晶粒组织的形貌演变取决于相邻枝晶簇之间的竞争过程,具有择优取向的枝晶簇会逐渐排挤非择优取向的枝晶簇并最终将其阻挡在凝固组织内部,宏观晶粒的取向与其内部枝晶簇的生长方向并不一定相同. 熔池中心线附近区域在焊接过程中具有更小的温度梯度、更大的凝固速率以及更大的局部冷却速率,凝固后可以获得更加细小的焊缝枝晶组织. 枝晶间距的模拟结果与相应凝固条件下的试验数据符合较好. 关键词： 焊接熔池 枝晶形貌 竞争生长 元胞自动机     

Orientation evolution of single-crystal superalloys under different solidification interface

The single-crystal superalloys with different deviation angle are prepared by using the liquid metal cooling high-temperature gradient directional solidification furnace, and the orientation evolution of single-crystal superalloys under different solidification interface is studied. The results indicate that the increase of the deviation angle will make the planar interface unstable. With the increase of the solidification rate, the growth direction of the crystal will deviate from the direction of heat flow to the preferred orientation direction. Under the developed dendrite crystal growth, the branches of the dendrite will follow the preferred orientation, nearly free from the effect of the heat flow.     

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.     

Influence of initial solid–liquid interface morphology on further microstructure evolution during directional solidification

Preparation of the initial solid–liquid interface on which growth is started is a very critical step in directional solidification experiments. Dedicated experiments concerning preparation of the initial solid–liquid interface morphology and its influence on further directionally solidified microstructure were performed on Cu-20 wt% Sn peritectic alloy in a Bridgman-type furnace. To verify the morphology of the initial solid–liquid interface, steady-state directional dendritic growth was interrupted by thermal stabilization ranging from 0 to 1 h prior to quenching. With thermal stabilization duration increase, the solid–liquid interface morphology degenerated from dendritic to cellular and finally to planar. To verify the influence of the initial state on further solidification microstructure, directional solidification experiments were performed at a low pulling rate of 1 μm/s with different initial solid–liquid interface morphologies. The initial state affects solute redistribution and formation of peritectic coupled growth structure in the subsequent directional solidification process.