強制對流影響凝固微觀組織的相場法研究.pdf

1、凝固材料在凝固過程中形成的微觀組織決定其最終性能,有效地控制凝固過程中微觀組織的形成具有重要理論和實際意義。對流作用在凝固過程中不可避免,并通過改變固液界面附近的溶質(zhì)和溫度分布影響凝固微觀組織的形成。隨著計算科學(xué)的發(fā)展,耦合流場的相場法模擬已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點。枝晶是凝固過程中最常見的微觀組織,本文采用耦合流場的相場模型模擬了凝固中的枝晶生長過程,研究了強制對流作用下的枝晶生長機制,定量分析了有無強制對流作用下枝晶尖端生長行為,

2、為有效預(yù)測和改善材料性能奠定了良好的理論基礎(chǔ)。
　　 本文在Wheeler相場模型的基礎(chǔ)上,耦合溫度場和流場建立了強制對流作用下純物質(zhì)枝晶生長相場模型;進一步耦合溶質(zhì)場建立了強制對流作用下二元合金枝晶生長相場模型。在數(shù)值求解過程中,選用基于均勻網(wǎng)格的有限差分對控制方程進行離散,為了避免時間步長的限制,提高計算效率,溫度場控制方程用交替顯隱式法求解。采用Visual C++語言實現(xiàn)相關(guān)模擬程序的編制,直接將。Tecplot可視化程

3、序與相場模型計算程序集成,建立了相場法微觀組織模擬的可視化軟件系統(tǒng)。
　　 采用強制對流作用下純物質(zhì)相場模型,以純Ni為例,模擬研究了強制對流作用下純物質(zhì)單枝晶和多枝晶生長演化過程。結(jié)果表明,在單枝晶生長時,逆流枝晶臂生長迅速,順流枝晶臂生長緩慢,水平枝晶臂逆流側(cè)和順流側(cè)的生長也存在顯著差別;在多枝晶生長時,受強制流動、晶體結(jié)構(gòu)特征和生長空間的共同作用,僅有指向逆流側(cè)外部區(qū)域的優(yōu)先生長方向上的枝晶臂生長受到促進,主枝和側(cè)枝發(fā)達,

4、其它優(yōu)先生長方向的枝晶臂生長均受到抑制,主枝和側(cè)枝退化,模擬結(jié)果與重力對流作用下的丁二腈枝晶生長形貌相吻合。
　　 采用強制對流作用下二元合金相場模型,以Ni-Cu合金為例,模擬研究了強制對流作用下二元合金單枝晶和多枝晶生長演化過程。結(jié)果表明,在強制對流作用下,逆流枝晶臂受過冷熔體沖刷,枝晶臂尖端溶質(zhì)濃度和溫度低,實際過冷度大,枝晶臂生長迅速;熱量和溶質(zhì)在順流側(cè)富集,順流枝晶臂尖端溶質(zhì)濃度和溫度高,實際過冷度小,枝晶臂生長緩慢。

5、多枝晶共同生長時,枝晶間內(nèi)部區(qū)域的枝晶臂生長主要受相鄰枝晶控制,遠離邊界的外部區(qū)域的枝晶臂生長主要受流場控制。模擬結(jié)果與同步輻射X射線成像觀察到的直流電場下Sn-Bi合金枝晶生長形貌一致。
　　 采用適應(yīng)hcp晶系的二元合金相場模型,模擬研究AZ91D鎂合金凝固中純擴散和強制對流作用下單枝晶和多枝晶生長過程。結(jié)果表明,在純擴散條件下,枝晶表現(xiàn)出明顯的六方異性,各方向均衡生長;在強制對流作用下,流體逆流側(cè)3個方向的枝晶臂明顯比流體

6、順流側(cè)3個方向的枝晶臂生長快,各枝晶臂長度存在很大差異。在多晶粒生長初期,各晶粒獨立生長,為規(guī)則正六邊形;隨著凝固的進行,正六邊形晶粒逐漸發(fā)展成枝晶,相向生長的枝晶臂互相影響并競爭生長,不同枝晶的一次枝晶臂彼此抑制,最終形成不對稱枝晶形貌。模擬結(jié)果與實際枝晶形貌接近。
　　 對σ=σ0[1+εkcos(kθ)]形式的界面能各向異性函數(shù)進行修正,建立了修正的相場模型,在對純擴散情況下Si枝晶生長形貌進行模擬研究并與實驗結(jié)果對比的基

7、礎(chǔ)上,以Ni-Cu合金為例,對純擴散和強制對流作用下的高界面能各向異性二元合金枝晶生長行為進行預(yù)測。結(jié)果表明,在高界面能各向異性純Si枝晶生長中,部分晶向角方向的生長消失,一次枝晶和二次枝晶尖端出現(xiàn)棱角,從而都具有典型的棱角特征,模擬結(jié)果與實驗結(jié)果相符合。在高界面能各向異性Ni-Cu合金枝晶生長中,當(dāng)界面能各向異性強度ε4＜1/15時,隨著國增加,枝晶尖端速度增大,且在接近1/15處達到最大值;當(dāng)ε4=1/15時,枝晶尖端速度下降4.3

8、4％;進一步增加ε4時,枝晶尖端速度先增到極大值后逐漸減小。引入界面動力學(xué)各向異性后,界面僅存在界面動力學(xué)各向異性6時,固相以類矩形方式沿<110>方向生長;界面同時存在δ、ε4和僅存在ε4時,固相以枝晶方式沿<100>方向生長。在流速為6.43 m/s的強制對流作用下,枝晶的逆流側(cè)受過冷熔體沖刷,逆流枝晶臂生長迅速,與純擴散時相比穩(wěn)態(tài)生長速度增加12.61％;熱量和溶質(zhì)在順流側(cè)聚集,順流枝晶臂生長緩慢,與純擴散時相比穩(wěn)態(tài)生長速度減小1