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     

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     

相场法模拟NiCu合金非等温凝固枝晶生长

利用相场模型与溶质场、温度场进行耦合计算,以Ni-40.83%Cu合金为例模拟了二元合金枝晶生长过程.系统研究相场模型中相场和温度场耦合强度对枝晶形貌和浓度分布的影响.模拟结果表明:随着耦合强度的增加,相场受温度场的影响加大,界面前沿变得不稳,扰动被放大,主枝上出现了二次枝晶.同时,枝晶尖端的生长速率增大,而枝晶尖端的曲率半径减小,枝晶前沿的溶质富集现象也更严重;另外,计算结果与Ivantsov理论符合较好. 关键词： 相场法 NiCu合金 枝晶生长 Ivantsov理论     

三维溶质枝晶生长数值模拟

建立了在低Péclet数条件下三维溶质枝晶生长的数值模拟模型.该模型采用Zhu和Stefanescu 提出的溶质平衡方法,即根据固/液界面的平衡浓度和实际浓度之差计算固/液界面演化的驱动力.界面的平衡浓度由界面温度和曲率所确定,实际浓度通过采用有限差分法对溶质扩散控制方程进行数值求解而获得.该方法能够合理定量地描述枝晶从初始的非稳态到稳态的生长过程,并且具有较高的计算效率.为了描述具有不同晶体学取向的三维枝晶生长,提出了一种权值平均曲率算法用于计算固/液界面的曲率,在权值平均曲率的算法中耦合了界面能各向异性的因素.该算法简单易实现,并易于从二维推广到三维系统.为了对模型进行验证,将模拟的枝晶尖端稳态生长数据和理论模型的预测结果进行了比较.结果表明,模拟的Al-2wt%Cu合金枝晶尖端稳态生长速率和半径随过冷度的变化接近于Lipton-Glicksman-Kurz解析模型的预测结果.模拟分析了稳态枝晶尖端的形貌,发现三维枝晶尖端是非轴对称的,以四次对称的方式偏离旋转抛物面.最后,应用所建立的模型模拟出具有发达分枝和不同晶体学取向的三维等轴多枝晶生长形貌. 关键词： 微观组织模拟 溶质枝晶生长 权值平均曲率 三维     

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     

BCC枝晶生长原子堆垛过程的晶体相场研究

通过在自由能泛函中引入各向异性参数得到了一个基于高斯内核的改进晶体相场模型, 并采用该模型研究了体心立方结构(BCC)枝晶生长的原子堆垛过程. 结果表明, 在BCC由正十二面体平衡形貌演化为枝晶组织过程中, 形核位置经历了由面心({110}面)到尖端(<100>取向)的转移, 进而发生界面失稳形成枝晶组织; 枝晶生长过程中, 新的固相原子首先在枝晶尖端附近形核, 并快速向尖端及根部生长, 枝晶尖端被新原子完全包覆后将再次诱发液相原子附着形核及生长; 随初始液相密度的增加, 固-液界面移动速率增加, 速率系数的各向异性也增强.     

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     

相场方法模拟铝合金三维枝晶生长

以相场模型为基础，采用宏微观耦合方法和界面捕获液态方法对铝合金枝晶生长进行模拟计算.为解决试样全场微观计算的困难，采取宏微观耦合的计算方法，试样整体计算温度场，而微观组织计算只在一个确定的宏观单元内进行，宏观微观计算交替耦合进行.在不改变相场模型的条件下，提出界面捕获液态计算方法.赋值计算单元界面标志，只对界面处的单元求解相场变量，当枝晶生长时，捕获液态单元为界面从而推进界面，并对捕获到的单元校正相场变量.通过界面捕获液态方法加速相场模型的计算，实现了铝合金试件局部三维单晶粒和多晶粒的模拟.对模拟结果与实 关键词： 相场方法 液态捕获 微观组织 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     

热扰动对过冷熔体中二次枝晶生长影响的相场法模拟

用相场法模拟了过冷纯物质二次枝晶的生长过程，并定量地研究了过冷度、各向异性、热扰动振幅等参数对二次枝晶的影响. 通过加入热扰动，相场法能更真实地模拟过冷熔体中二次枝晶的生长，计算得到的二次枝晶间距和幅值与由Wentzel_Kramers_Brillouin方法得到的结果符合较好. 模拟结果表明，过冷度和各向异性对二次枝晶有较大影响. 当过冷度增大时，二次枝晶间距随之减小；当各向异性增大时，二次枝晶间距随之增大，但二次枝晶幅值则随之减小. 热扰动振幅主要影响二次枝晶幅值，而对二次枝晶间距影响较弱. 关键词： 相场法 热扰动 枝晶生长 二次枝晶     

Velocity and shape selection of dendritic crystals in a forced flow

The phase-field method is used to simulate the two-dimensional growth of a dendritic crystal in a forced flow. The selection of the velocity and shape of the dendrite tip is investigated as a function of flow rate, growth direction relative to the flow, as well as anisotropy strength, and the results for the upstream growing tips are compared to existing theoretical predictions.     

二元合金等温凝固过程的相场模型

基于Ginzberg-Landau理论，发展了一个与WBM模型和KKS模型一致的新相场模型.并利用该相场模型与溶质场耦合计算，以Al-65%Cu合金为例模拟了不同过冷度条件下，二元合金凝固过程的等轴枝晶生长过程.研究过冷度对二元合金等温凝固过程的等轴枝晶生长以及溶质场分布的影响.结果表明：随着过冷度的增大，枝晶的二次枝晶更加发达，浓度Peclet数和枝晶尖端的生长速率增大，而枝晶尖端的曲率半径减小，枝晶前沿的溶质富集现象也更严重；另外，计算结果与Ivantsov理论符合较好. 关键词： 相场法 枝晶生长 溶质场 Ivantsov理论     

Phase-field modeling of growth pattern selections in three-dimensional channels

In this paper, the anisotropic crystal growth in three-dimensional channels was studied using a thin-interface phase-field model. Different growth modes and dynamics behaviours, including planar front, stationary symmetrical single finger, oscillatory symmetrical single finger and multiple-finger structure, have been observed as the undercooling is increased. Lower boundary of undercooling for symmetrical single finger results from the tip-widening while the upper boundary results from the tip-splitting instability. Results show that the existence range of the symmetrical single finger depends on crystalline anisotropy, channel size and dimensionality. Moreover, an oscillatory instability, involving tip velocity and tip radius oscillations, was evidenced when the undercooling is close to but below the upper boundary. We found that the oscillatory symmetrical single finger strongly depends on the channel size and the crystalline anisotropy. Mechanism of the oscillatory mode has been discussed in details.     

Phase-field simulation of dendritic growth in a binary alloy with thermodynamics data

This paper simulates the dendrite growth process during non-isothermal solidification in the Al-Cu binary alloy by using the phase-field model. The heat transfer equation is solved simultaneously. The thermodynamic and kinetic parameters are directly obtained from existing database by using the Calculation of Phase Diagram （CALPHAD） method. The effects of the latent heat and undercooling on the dendrite growth, solute and temperature profile during the solidification of binary alloy are investigated. The results indicate that the dendrite growing morphologies could be simulated realistically by linking the phase-field method to CALPHAD. The secondary arms of solidification dendritic are better developed with the increase of undercooling. Correspondingly, the tip speed and the solute segregation in solid-liquid interface increase, but the tip radius decreases.     

六方小面相螺旋在各向异性、表面吸附、界面动力学作用下生长的相场

利用定量相场模型研究了强各向异性、表面吸附率以及界面动力学作用条件下六方Ga N螺旋结构的表面形貌与生长机理.通过引入小面相各向异性的相场修正方程,研究了不同各向异性的稳态螺旋形貌,发现各向异性通过改变台阶尖端的曲率作用影响螺旋生长.弱各向异性下稳态螺距及界面动力学特征相对稳定,各向异性较强时尖端的过饱和度随着各向异性的增强而增大,并使得界面平衡态向着有利于螺旋台阶推进的方向移动.研究了表面吸附率对小面相螺旋生长的作用机理,发现吸附率的增加导致了稳态螺旋间距的降低,通过分析螺旋间距随台阶宽度的变化趋势,发现增强的表面吸附和各向异性强度降低了螺旋间距的收敛性,并且具体分析了收敛性误差;通过探讨界面动力学作用条件下螺旋形貌特征以及螺旋间距变化趋势,发现界面动力学系数通过改变稳态螺旋间距与特征指数因子调控螺旋生长的动力学机理,与各向同性相比小面相螺旋生长表现出较低的界面动力学系数依赖性.