各向异性作用下合金定向凝固界面稳定性的渐近分析

采用渐近分析方法对考虑了界面能各向异性的单相二元合金平界面定向凝固过程进行了线性稳定性分析,得到了特定条件下的零级、一级渐近解,并通过对长波段渐近解的讨论得出了适用于整个波段的色散关系.分析表明零级渐近解等效于成分过冷理论,而一级渐近解则与M-S稳定性理论一致.在稳定状态控制参数(抽拉速度和温度梯度)的选择图中,界面能各向异性增大了不稳定区域,且在高速和高温度梯度时的影响更强. 关键词： 定向凝固 界面稳定性 渐近分析 各向异性     

凝固过程中的界面各向异性

概述了凝固过程界面各向异性的特点及研究进展，讨论了在界面稳定及形态选择的分析过程中界面各向异性的处理方法，以及界面各向异性对凝固组织形成过程的影响。     

各向异性表面张力对定向凝固中共晶生长形态稳定性的影响

研究各向异性表面张力对定向凝固中共晶生长形态稳定性的影响.应用多重变量展开法导出了共晶界面表达式和扰动振幅的变化率满足的色散关系.结果表明,共晶生长系统有两种整体不稳定性机理:由非震荡导致的"交换稳定性"机理和由震荡导致的"整体波动不稳定性"机理.震荡有四种典型模式,即:反对称-反对称(AA-),对称-反对称(SA-)、反对称-对称(AS-)和对称-对称(SS-)模式.稳定性分析表明:共晶界面形态稳定性取决于Peclet数ε的某一个临界值ε_*,当ε大于临界值ε_*时,共晶界面形态不稳定;当ε小于临界值ε_*时,共晶界面形态稳定.随着各向异性表面张力增大,对应于AA-,SA-和SS-模式的临界值ε_(aa*),ε_(sa*)和ε_(ss*)随之减小,表明各向异性表面张力减小这三种模式的稳定性区域;然而,随着各向异性表面张力增大,对应于AS-模式的临界值ε_(as*)随之增大,表明各向异性表面张力增大AS-模式的稳定性区域.     

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.     

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.     

单相合金凝固过程时间相关的界面稳定性(Ⅱ)实验对比

采用典型的透明模型合金，即丁二腈-1．5at％水杨酸苯酯(SCN-1．5at％Salol)合金，对界面前沿溶质扩散边界层和界面稳定性进行了实时观测，并结合丁二腈-1．1wt％乙醇(SCN-1.1wt％Eth)、丁二腈0.43wt％氧杂萘邻酮152(SCN-0.43wt％C152)的实验结果，对纯扩散和存在对流情况下的定向凝固界面形态稳定性进行了系统的分析.发现以往所进行的界面稳定性分析能够准确描述实验中所观测到的界面失稳的时间相关特性，并发现界面失稳演化存在两个时间结点，即界面失稳孕育时间和平胞转变孕育时间，所获得的时间相关解能够准确预测实验中观测到的平胞转变孕育时间，而对流效应则明显缩短了界面失稳和平胞转变的孕育时间.实验中获得的单位扰动振幅发展速率比稳态理论预言值小了将近一个数量级，而与时间相关解较为接近. 关键词： 界面稳定性 凝固 扩散 对流     

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.     

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     

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.     

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     

Phase field investigation on the initial planarinstability with surface tension anisotropy during directional solidification of binary alloys

Phase field investigation reveals that the stability of the planar interface is related to the anisotropic intensity of surface tension and the misorientation of preferred crystallographic orientation with respect to the heat flow direction. The large anisotropic intensity may compete to determine the stability of the planar interface. The destabilizing effect or the stabilizing effect depends on the misorientation. Moreover, the interface morphology of initial instability is also affected by the surface tension anisotropy.     

The effect of anisotropic surface tension on the morphological stability of planar interface during directional solidification

This paper considers the effect of the anisotropic surface tension on the morphological stability of the planar interface during directional solidification. When the expression exhibiting the four-fold symmetry is included, the modified absolute stability criterion is obtained by employing the multi-variable expansion method. The linear stability analysis reveals that for the given temperature gradient, as the anisotropic surface tension parameter increases, the stability zone tends to decrease.     

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．     

The effect of interfacial energy anisotropy on planar interface instability in a succinonitrile alloy under a small temperature gradient

The morphological stability of a planar interface with different crystallographic orientations is studied under a small positive temperature gradient using a transparent model alloy of succinonitrile.Novel experimental apparatus is constructed to provide a temperature gradient of about 0.37 K/mm.Under this small temperature gradient,the planar interface instability depends largely on the crystallographic orientation.It is shown experimentally that the effect of interfacial energy anisotropy on planar interface stability cannot be neglected even in a small temperature gradient system.Higher interfacial energy anisotropy leads the planar interface to become more unstable,which is different from the stabilizing effect of the interfacial energy on the planar interface.The experimental results are in agreement with previous theoretical calculations and phase field simulations.     

定向凝固生长对Ni-Mn-Ga-RE (RE=TbSm)合金磁感生应变的影响

关键词：