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     

强制对流和自然对流作用下枝晶生长的数值模拟

建立了一个基于格子玻尔兹曼方法 （LBM） 的二维模型,对强制对流和自然对流作用下合金凝固过程中的枝晶生长行为进行了模拟研究. 与传统的基于求解Navier-Stokes方程计算流场的方法不同,本模型采用基于分子动理论的LBM对凝固过程中的传输现象进行数值计算. 用三组粒子分布函数分别建立了计算流场、由对流和扩散所控制的浓度场和温度场的LBM演化方程. 通过求解LBM演化方程获得固/液界面前沿的浓度和温度分布. 然后,基于溶质平衡方法计算了枝晶生长的驱动力. 为了对模型进行验证,将模拟在强制和自然对流作用下枝晶上游尖端的稳态生长特征分别与Oseen-Ivantsov 解析解和修正的Lipton-Glicksman-Kurz 模型预测结果进行了比较, 模拟结果和理论预测结果符合良好. 模拟结果还表明,对流使热量和溶质从上游传输到下游,从而加速了枝晶在上游方向的生长,而抑制了下游方向的生长,形成了非对称的枝晶形貌. 关键词： 微观组织模拟 枝晶生长 对流 格子玻尔兹曼方法     

弱熔体对流对定向凝固中棒状共晶生长的影响

利用渐近方法求出在弱对流熔体中定向凝固棒状共晶生长的浓度场的渐近解,研究了弱熔体对流对定向凝固中棒状共晶生长的影响.结果表明,弱熔体对流对定向凝固中棒状共晶生长有显著的作用;平均界面过冷度不仅与棒状共晶的棒间距、生长速度有关,还与流动强度有关;当生长速度一定时,随着流动强度增大,棒状共晶的平均界面过冷度减小.利用最小过冷原则,获得棒间距与生长速度和流动强度的关系.结果表明,当生长速度比较小时,随着流动强度增大,棒状共晶的棒间距增大;当生长速度比较大时,随着流动强度增大,棒状共晶的棒间距变化减弱;棒状共晶的生长速度越小,流动对棒状共晶生长的影响越大.利用本文的解析结果计算在对流条件下Al-Cu共晶的棒间距,结果显示随着转速增大或径向距离增大,共晶的间距增大,这与Junze等的实验结果相符合.     

Ti-44at%Al合金小尺寸铸件柱状晶/等轴晶演化过程模拟

利用溶质扩散控制模型对TiAl合金柱状晶/等轴晶转变过程进行了数值模拟，结果表明，等轴晶在柱状晶前沿形核及生长过程中，当两个扩散场相遇时，观察到成分冲击波，它可能是导致柱状晶停止生长的一个主要原因.利用该模型，对小铸件柱状晶/等轴晶转变过程进行了预测，在模拟过程中发现柱状晶界面前沿液相温度梯度，成分过冷度可联合对柱状晶/等轴晶转变产生影响，模拟与实验观察符合较好. 关键词： TiAl合金 成分冲击波 柱状晶/等轴晶转变     

枝晶生长和气泡形成的数值模拟

本文建立了二维的格子玻尔兹曼方法-元胞自动机(lattice Boltzmann method-cellular automaton, LBM-CA)耦合模型, 对凝固过程中枝晶生长和气泡形成进行模拟研究. 本模型采用CA方法模拟枝晶的生长, 根据界面溶质平衡法计算枝晶生长的驱动力. 采用基于Shan-Chen多相流的LBM模拟气泡在液相中的生长和运动. 在LBM-CA的耦合模型中包含了固-液-气三相之间的相互作用. 应用Laplace定理和模拟气-液-固三相之间的润湿现象对模型进行了验证. 应用所建立的LBM-CA耦合模型模拟研究了气-液相互作用系数对单气泡生长的影响. 发现单气泡的生长速度和平衡半径随气-液相互作用系数的增大而增大. 定向凝固过程中枝晶和气泡生长的模拟结果再现了枝晶的择优生长、 气泡的优先形核位置、气泡的长大、合并、在枝晶间受挤变形以及在液相通道中的运动等物理现象, 与实验结果符合良好. 此外, 初始气体含量越高, 凝固结束时气泡的体积分数也相对较高. 本模型的模拟结果可以揭示在凝固过程中气泡形核、 生长和运动演化以及与枝晶生长相互作用的物理机理.     

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.     

电磁悬浮条件下液态Fe_(50)Cu_(50)合金的对流和凝固规律研究

基于轴对称电磁悬浮模型,理论计算了二元Fe_(50)Cu_(50)合金熔体内部的磁感应强度和感应电流,分析了其时均洛伦兹力分布特征,进一步耦合Navier-Stokes方程组计算求解了合金熔体内部流场分布规律.计算结果表明,电磁悬浮状态下合金内部流场呈现环形管状分布,并且电流强度、电流频率或合金过冷度的增加,均会导致熔体内部流动速率峰值减小,平均流动速率增大,并使流动速率大于100 mm·s~(-1)区域显著增大.通过与静态凝固实验对比发现,电磁悬浮条件下熔体中强制对流使得合金内部富Fe和富Cu区的相界面呈波浪状起伏形貌,并且富Cu相颗粒在熔体上部分出现的概率增加.     

直拉法晶体生长过程非稳态流体热流耦合

为了改善复杂对流形态下的晶体生长品质, 提出了一种改进的格子Boltzmann方法研究非稳态熔体流动和传热的耦合性质. 该方法基于不可压缩轴对称D2Q9模型, 构建了包含旋转惯性力和热浮力等外力项的演化关系, 实现了对轴对称旋转流体的速度、温度和旋转角速度的计算与分析. 结果表明, 非稳态熔体中的流、热耦合性质与格拉斯霍夫数和雷诺数的相互作用有关; 通过调节高雷诺数, 可有效抑制熔体中的自然对流, 改善温度分布, 有助于提高单晶的品质. 数值计算结果与实际硅单晶生长试验均证明了所提方法的正确性及有效性.     

强迫对流影响二元合金非等温凝固枝晶生长的相场法模拟

在二元合金相场模型的研究基础上,建立了耦合溶质场、温度场和流场的相场模型,采用Simple算法求解质量和动量守恒方程,用交替隐式有限差分法求解温度控制方程,模拟了流场作用下二元合金等温和非等温凝固过程中枝晶的生长过程,研究了流场对枝晶生长形貌、溶质场和温度场分布情况的影响,将流场作用下二元合金等温和非等温凝固枝晶生长过程进行比较,分析了由于凝固潜热的释放对流场作用下凝固枝晶生长的影响． 关键词： 相场法 对流 非等温凝固 枝晶生长     

二元合金凝固过程微尺度热质传输的影响分析

针对二元合金凝固的微观偏析现象建立一维平面枝晶模型,考虑溶质在固相中有限扩散,液相完全扩散的情况。通过模拟计算,比较分析了Al-Cu和Fe-C合金微观偏析的特点,并讨论了不同凝固速度以及溶质扩散系数随温度变化与否对微观偏析的影响。分析结果表明,温度场的影响是不可忽略的,应该在研究中予以考虑。     

Effect of buoyancy-driven convection on steady state dendritic growth in a binary alloy

The effect of buoyancy-driven convection on the steady state dendritic growth in an undercooled binary alloy is studied. For the case of the moderate modified Grashof number, the uniformly valid asymptotic solution in the entire region of space is obtained by means of the matched asymptotic expansion method. The analytical results show that the buoyancy- driven convection has a significant effect on the needle-like interface of dendritic growth. Due to the buoyancy-driven convection, the needle-like interface shape of the crystal is changed. When the Peclet number that is not affected by the buoyant flow is less than a certain critical value, the interface shape of the dendrite becomes thinner as the Grashof number increases; when it is larger than the critical value, the interface shape becomes fatter as the Grashof number increases. In the undercooled binary alloy the morphology number plays an active role in the interface shape and leads to the buoyancy effect that is different from the situation for the pure melt. The smaller the morphology number is, the more significant change the interface shape has. As the Peclet number further increases, the effect of buoyancy on the interface diminishes eventually.     

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     

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.     

多组元化合物晶体生长过程中的双扩散对流现象

针对多组元化合物晶体的Bridgman生长过程,通过对液相区流场和浓度场的数值模拟,研究生长过程中容器内部双扩散对流与组分分布的情况.首先对比了三段场和梯度场炉壁温度设计情况下液相区的流体双扩散对流以及组分分布情况.在此基础上,针对梯度场炉壁温度条件,分析了不同参数的影响.结果表明:在溶质格拉晓夫数较大时,它的增大能够明显地削弱液相区的流体流动,从而使得界面附近的组分分布也产生变化;此外,拉晶速度的增大也能够使得液相区的双扩散对流受到抑制.     

深过冷条件下Co_7Mo_6金属间化合物的枝晶生长和维氏硬度研究

采用电磁悬浮和自由落体两种实验技术对二元Co-50%Mo过共晶合金中初生Co_7Mo_6金属间化合物的生长机理和维氏硬度进行了系统研究.电磁悬浮实验中,合金熔体获得的最大过冷度为203 K(0.12T_L),初生Co_7Mo_6枝晶生长速度与过冷度之间呈现幂函数关系.随着过冷度的增大,初生枝晶中Co元素含量单调递增,枝晶尺寸明显减小,并且其维氏硬度逐渐升高.在自由落体状态下,随着液滴直径的减小,合金熔体的过冷度和冷却速率均增大.当液滴直径减小到392μm以下时,初生Co_7Mo_6枝晶从小平面向非小平面形态进行转变.实验发现,深过冷条件下Co_7Mo_6化合物发生了显著的溶质截留效应,其维氏硬度与Co元素分布和形貌特征密切相关.     

相场法模拟对流速度对上游枝晶生长的影响

基于Tong和Beckermann等提出的耦合流场的相场模型,采用有限差分法对纯金属凝固过程进行二维模拟计算,研究了不同对流速度对金属枝晶生长的影响.结果表明：在有对流情况下,上游及下游枝晶呈现不对称形貌,上游枝晶生长速度明显比下游方向生长速度快.随着对流速度的增大,上游尖端过冷度也增大,枝晶生长也越快.这是由于流体速度越大,对上游枝晶冲刷越强,上游枝晶尖端实际过冷度越大,枝晶生长越迅速. 关键词： 相场法 对流速度 上游枝晶     

一个新的用于元胞自动机模拟微观组织的溶质分配模型及其计算验证

在已有的几种溶质再分配计算模型的基础上, 建立了一个新的更为合理的溶质再分配模型.该模型充分考虑了枝晶生长过程中可能出现的固/液界面元胞的各种状态及其邻居元胞的各种状态, 根据这两者的不同状态, 分别建立不同的计算公式展开计算. 利用所建立的模型消除了原有的扩散控制的元胞自动机(CA)生长模型存在的在晶界处元胞不凝固的缺陷. 接着, 为了进一步验证模型的可靠性, 在Kurz-Giovanola-Trivedi方法控制的CA生长模型中引入新的溶质再分配计算模型, 对Al-4.7 wt%Cu 合金铸锭进行了模拟计算, 并与实验结果进行了金相组织和成分分布两方面的对比, 表明新模型具有较好的精确性. 关键词： 元胞自动机方法 微观组织模拟 溶质再分配     

液态Ti-Al合金的深过冷与快速枝晶生长

采用电磁悬浮和自由落体两种试验技术研究了液态Ti-25 wt.%Al合金的亚稳过冷能力、晶体形核机制和枝晶生长过程. 试验发现, 即使电磁悬浮无容器状态下仍难以消除润湿角θ ≥60°的异质晶核, 合金熔体过冷度可达210 K (0.11T_L). β-Ti相形核的热力学驱动力随过冷度近似以线性方式增大, 其枝晶生长速度高达11.2 m/s, 从而在慢速冷却条件下实现了快速凝固. 理论计算表明, 随着过冷度的逐步增大, β相枝晶生长从溶质扩散控制转变为热扩散控制. 当过冷度超过100 K时, 非平衡溶质截留效应可使合金熔体发生无偏析凝固. 然而, 单靠深过冷状态不足以抑制β相的后续固态相变. 对于落管中快速凝固的直径77-1048 μm合金液滴, 其冷却速率最高达1.05×10⁵ K/s, 深过冷与快速冷却的耦合作用能更有效地调控凝固组织形成过程.     

Computation of solidification problems with hydrodynamic convection resolving energetic anisotropies at the microscale quantitatively

In this work we propose a new numerical approach to solve the solidification of microstructures from a pure melt including hydrodynamic effects in the molten phase. The model is based on the classical sharp-interface model, i.e the solid–liquid interface is tracked and latent heat is released. An enhanced scheme is employed to solve fluid flow in the melt. The no-slip condition is applied on the interface by enforcing the velocities in the solid phase to be zero. The morphology evolution of the solidifying crystal microstructure under the influence of convection is compared with an existing morphology diagram for pure diffusion controlled growth (see Brener et al. [1]). The peculiarity of our approach is that it models the physical anisotropies along the solid–liquid interface with high accuracy. This allows us to report changes in the morphology diagram given by Brener et al. [1] due to the influence of forced flow. Moreover, we present some results on the scaling of the dendritic tip in such cases.     

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.