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     

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     

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.     

过冷熔体中枝晶生长的相场模拟

本文利用相场方法对过冷镍熔体中枝晶生长过程进行了模拟,发现在过冷度低于 200 K时,生长速度与过冷度之间近似呈幂函数关系,当过冷度高于 200 K时,生长速度与过冷度之间基本呈线性关系。伴随着速度/过冷度之间关系的变化,枝晶尖端半径/过冷度的关系则呈现先减小后增加的趋势,并在 200 K时达到最小。本文还将模拟结果与实验值和经典LKT理论进行了比较,对上述关系转变的物理机制进行了分析。     

受迫流动下的枝晶生长相场法模拟研究

基于耦合流场和热噪声的相场模型及合理高效的三维动态求解域加速算法,定量模拟了在受迫流动下枝晶的非对称生长及流速对迎流、背流两侧的温度分布和层流层分布的影响.计算结果表明,受迫流动使迎流、背流两侧温度的分布与层流层分布呈现不对称状态,导致迎流侧与背流侧的过冷度不同,而熔体施加于枝晶界面前沿迎流侧的力还不足以抑制过冷度的作用,结果造成枝晶迎流方向优先生长,从而产生倾向于散热方向的倾斜,同时,由于迎流侧的实际过冷度大于背流侧,有利于促进迎流一侧枝晶生长速度以及稳定侧向分枝生长,从而导致了侧向分枝的非对称生长.随     

双边扩散枝晶生长的定量相场模型

本文针对非对称双边扩散条件下的二元合金枝晶生长,建立了一个包含溶质截流项的定量相场模型．本模型耦合了非线性热力学函数并采用化学势相等的界面条件．通过对相场方程进行二阶的薄界面渐进分析,并结合溶质拖拽模型,推导出相场迁移率和溶质截流项．随后将模型简化为二元稀溶液合金等温枝晶生长的相场模型以对其进行理论验证．通过在各种相场界面厚度条件下进行数值模拟,测试了本模型的数值收敛性．用所建立的模型模拟了Fe-0．15m01％C合金的等温枝晶生长,将相场模拟结果和经典Gibbs—Thomson关系,线性可解性理论以及改进的Lipton—Glicksman—Kurz（LGK）解析模型进行比较,取得了良好的符合．模拟结果表明本模型能有效地消除延拓的界面厚度所导致的界面异常效应,具有良好的定量模拟能力．而且,本模型能够定量地描述从单边扩散到对称扩散的各种固相扩散迁移率条件下的枝晶生长．     

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     

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     

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     

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     

自由枝晶生长相场模型的自适应有限元法模拟

采用自适应有限元方法求解了相场模型的控制方程,利用自适应有限元法在求解效率和精度上的优势,模拟了计算域较大,界面层厚度较薄的情况下镍过冷熔体中单个完整等轴晶的演化过程,使相场模型模拟结果更接近于真实物理模型,并探讨了二次枝晶臂的演化机理.模拟结果表明,二次枝晶臂的演化主要由热扩散控制,并受随机扰动影响,在四个象限内呈现出不对称生长.同时,受枝晶臂生长时排出的潜热积聚作用,同一侧的枝晶臂对新的二次枝晶臂的产生有促进作用.此外,二次枝晶臂出现合并、缩颈熔断、轴向熔化和径向熔化等四种粗化方式. 关键词： 自由枝晶生长 相场 自适应有限元法     

相场晶体法模拟过冷熔体中的晶体生长

利用相场晶体(phase-field crystal)模型,采用有限差分法,模拟了过冷熔体中晶体生长过程,研究了不同相区、不同过冷度对晶体生长过程的影响.结果表明,在共存区中,随着演化的进行,晶体生长被抑制,液-晶边界层逐渐变厚;在单相区中,随着过冷度的增大,晶态区面积显著增加,液-晶边界层逐渐变薄.晶体生长速度和过冷度成近似线性的关系. 关键词： 相场晶体 自由能函数 过冷熔体 晶体生长     

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.     

二元合金微观偏析的相场法数值模拟

使用耦合溶质场的相场模拟研究了Ni-Cu二元合金枝晶生长过程中固相溶质扩散系数D_s 对枝晶形貌和微观偏析等的影响.计算结果表明，随着D_s的减少，固液界 面前沿溶质扩散层越薄，枝晶生长越有利，枝晶尖端生长的速度越大，侧向分支越发达；D< sub>s越小，固相中溶质成分的波动越强烈，随着D_s的增大，固相中溶质 成分的波动相应减小；溶质微观偏析程度随D_s的增大而减小. 关键词： 相场方法 微观偏析 固相扩散系数 数值模拟