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     

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     

激光立体成形中熔池凝固微观组织的元胞自动机模拟

本文通过采用自适应网格技术, 将激光立体成形的宏观温度场模型和凝固微观组织的低网格各向异性元胞自动机模型(cellular automaton, CA)结合, 建立了适用于激光立体成形的集成数值模型. 模型包括基材的温度场分布, 熔池形貌和熔凝过程的凝固微观组织. 模拟了激光扫描速度为15 mm/s时, 激光作用在Fe-C单晶基材上形成熔池的形状以及熔池内凝固微观组织. 计算结果揭示了熔池内固液界面从平界面失稳到胞\枝晶的非稳态凝固过程, 并得到了平界面组织形成的白亮带. 白亮带上方形成了外延生长的枝晶列.     

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．     

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     

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     

纯物质自由枝晶生长特征的Fourier变换研究

本文用光学中Fourier变换的概念和方法处理纯物质自由枝晶尖端前沿的热势波传输问题,进而描述其凝固界面生长形态变化特征。具体做法是:先将热势波与枝晶端部作用后的传播过程用Fourier变换表示出来,从而求得了热势的空间分布,再由热势的分布特征反推出枝晶尖端界面生长形态的演化特点。这种方法还可简洁地处理界面能各向异性对界面凝固生长特征的作用问题。     

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.     

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     

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     

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     

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.     

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     

镁基合金自由枝晶生长的相场模拟研究

利用定量相场模型, 以Mg-0.5 wt.%Al合金为例模拟了基面((0001)面)内镁基合金的等温自由枝晶生长过程. 通过研究该合金体系数值模拟的收敛性, 获得了最优化值耦合参数λ = 5.5及网格宽度Δx/W₀ = 0.4, 并在该参数下系统研究了各向异性强度和过饱和度对枝晶尖端生长速度、尖端曲率半径、Péclet数及稳定性常数σ^* 的影响. 结果表明, 由微观可解性理论得到的稳定性系数σ^* 与ε₆ 拟合值σ^*≅ ε₆ ^1.81905, 更接近理想值σ ^* (ε₆) ≅ε₆ ^1.75. 此外, 当过饱和度Ω < 0.6时, 稳定性系数σ ^* 不随ε₆ 的变化而变化, 而当Ω > 0.6时, 稳定性系数σ ^* 随着ε₆ 的增加而减小. 这反映了枝晶的生长由扩散控制向动力学控制的转变. 随着过饱和度的增加, 枝晶形貌由雪花状枝晶向圆状枝晶转变.     

Effect of gravity convection on interface morphology during solidification

An experimental apparatus consisting of a crystal growth room and a crystal growth observation system was developed for the study of the effect of the gravity convection perpendicular to the growth direction on the growth process by use of model alloy succinonitrile (SCN)-5wt%ethanol. It was found that the convection improves the stability of the interface and causes the downstream alternation of the cell growth direction because of the dual effect of the Stokes force and the gravity. The second dendrite arm facing the flow comes into being earlier than that at another side when the interface transforms cell to dendrite. Then the dendrite at the side facing the flow comes into being earlier. The second dendrite arm facing the flow grows faster and is more developed than that at another side. In addition, the primary dendrite arm spacing increases and the dendrite tip radius decreases under the gravity convection. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 50331040 and 60171043)     

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     

纯物质枝晶凝固的元胞自动机模型

采用元胞自动机模型模拟了纯物质凝固微观组织演化行为. 与以往采用KGT模型简化考虑不同,采用界面能量守恒方程来自洽地确定液固界面的生长动力学,考察了模型的网格尺寸相关性和时间相关性,并对模型的稳定性进行了验证. 采用这个模型模拟了纯丁二腈在过冷熔体中的自由枝晶生长,并与Glicksman的等温枝晶生长实验(isothermal dendritic growth experiment,IDGE)和LM-K临界稳定性原理进行了对比. 模拟的形貌再现了实验形貌的特征,并且特征参数与理论结果及实验结果符合得很好. 关键词： 元胞自动机 界面 凝固 临界稳定性原理