二元及多元合金非平衡凝固的相場理論研究

1、摘要摘要非平衡凝固技術(shù)近年來發(fā)展迅猛，新的亞穩(wěn)材料不斷涌現(xiàn)。非平衡凝固過程是一個相當(dāng)復(fù)雜的過程，既包含宏觀的傳熱、傳質(zhì)、液體流動、結(jié)晶潛熱釋放和成分過冷等現(xiàn)象，又有微觀的晶粒形核、生長、熟化和界面前沿溶質(zhì)再分配等過程。凝固一般是在高溫條件下進(jìn)行的，直接測量和觀察其生長過程參數(shù)與形貌相當(dāng)困難，凝固過程的研究倘若只從實驗的角度進(jìn)行勢必會困難重重，計算機(jī)模擬方法為研究凝固提供了一條捷徑。相場方法作為近幾十年來發(fā)展迅速的相變過程模擬技術(shù)，一直被

2、作為凝固過程模擬的重要手段。但作為相場方法核心的相場模型，卻一直存在著較多問題懸而未決，如模型體系中的額外限制條件無法得到解決，非平衡溶質(zhì)擴(kuò)散效應(yīng)無法合理地引入模型當(dāng)中。在此背景下，本文擬從熱力學(xué)極值原理出發(fā)，建立綜合考慮上述問題適用于濃溶液合金體系的相場模型。本文主要研究內(nèi)容與結(jié)論如下：1.借助于熱力學(xué)極值原理，二元合金體系中的額外限制條件得到熱力學(xué)自洽性地解決，自然地推導(dǎo)出非平衡凝固時非守恒的相場傳播和守恒的溶質(zhì)擴(kuò)散通量相互依賴的演

3、化方程，即二元合金相場模型。該模型符合Onsager倒易關(guān)系。2.在一維穩(wěn)態(tài)生長，固相中溶質(zhì)擴(kuò)散忽略情況下，對當(dāng)前相場模型進(jìn)行理論分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前相場模型的溶質(zhì)截留效應(yīng)與尖銳界面模型相應(yīng)效應(yīng)具有相似性；利用有效移動性方法將非平衡溶質(zhì)擴(kuò)散效應(yīng)綜合引入到長程溶質(zhì)擴(kuò)散和短程溶質(zhì)再分配當(dāng)中，可預(yù)測從擴(kuò)散控制型生長到無擴(kuò)散凝固的轉(zhuǎn)變和溶質(zhì)拖拽消失的同時發(fā)生。3.以Si9at.%As二元合金為研究對象，將相場模型應(yīng)用于該合金的非平衡凝固模擬計算。通過

4、分配系數(shù)和溶質(zhì)拖拽因子的計算，得到了與上述理論分析一致的結(jié)果。4.將二元合金相場模型拓展至多元濃溶液合金時，得到兩種不同表達(dá)形式的多元合金相場模型。其中一種相場模型具有比前人模型都要簡單的形式。在平衡條件下，模型中的界面和塊體相貢獻(xiàn)能夠完全分離開來，意味著模型能夠借助“薄界面極限”分析進(jìn)一步提高模擬效率。5.將多元濃溶液合金相場模型應(yīng)用到不同成分的AlSiCu三元合金非平衡凝固時發(fā)現(xiàn)若組元間相互作用較強(qiáng)，會發(fā)生反常溶質(zhì)截留和反常成分分布

5、行為，即對于多元合金體系，組元間相互作用不可忽略。同時通過計算結(jié)果對比研究了尖銳界面模型與當(dāng)前相場模型的物理聯(lián)系。關(guān)鍵詞：非平衡凝固；相場模型；熱力學(xué)；動力學(xué)；濃溶液；多元合金I西北工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文4.Anextensionofthephasefieldmodelfbinaryalloystomulticomponentalloysshowsthattwosetsofphasefieldmodelcanbeobtainedone

6、ofwhichismuchsimplerthanallthepreviousphasefieldmodelsfmulticomponentalloys.Underequilibriumconditiononecanseethattheinterfacebulkcontributionscanbedecoupledcompletelyindicatingthatitisfeasibletoincreasethesimulationeffi

7、ciencybythe“thininterfacelimit”analysis.5.ApplyingthephasefieldmodelfmulticomponentalloystononequilibriumsolidificationofAlSiCuternaryalloysindicatesthatiftheinteractionbetweenthecomponentsisstronganomaloussolutetrapping

8、anomaloussoluteprofileswithinthediffuseinterfacecouldoccurthushighlightingtheimptanceofinteractionamongthecomponentelementsinmulticomponentalloys.Keywds:NonequilibriumsolidificationPhasefieldmodelThermodynamicsKiicsConce