二元合金定向凝固晶粒生長的三維相場模擬研究.pdf

1、定向凝固理論在凝固科學中占有核心及前沿的重要地位，奠定了現(xiàn)代凝固理論的基礎(chǔ)，其伴隨而生的定向凝固技術(shù)已成為材料制備與加工領(lǐng)域的重要學科方向和非?；钴S的技術(shù)領(lǐng)域。在現(xiàn)有的技術(shù)條件下使用實驗方法研究定向凝固過程中界面形態(tài)的變化規(guī)律還存在困難，而數(shù)值模擬方法在處理微觀組織方面具有其獨特的優(yōu)勢。特別是相場法，不需要追蹤復雜界面，是國內(nèi)外研究微觀組織的熱點方法。
　　本文基于KKS模型，采用枝晶固-液界面遷移方向法向量為自變量表述的相場控制

2、函數(shù)和枝晶生長方向與最優(yōu)生長方向之間的夾角為自變量表述的界面自由能各向異性控制函數(shù)，耦合溫度場、溶質(zhì)場，發(fā)展了二元合金定向凝固的三維相場模型。以Al-Cu合金為例，利用新建立的相場模型對定向凝固過程進行數(shù)值模擬，再現(xiàn)了凝固過程中固-液界面形態(tài)從平界面到胞晶界面生成的演化過程，研究了固-液界面前沿的變化規(guī)律和胞晶粗化機制，分析了不同的過冷度對界面演化的影響，討論了不同取向晶粒的競爭生長。模擬結(jié)果表明：在定向凝固過程中，胞晶會逐漸粗化，發(fā)生

3、熔化和合并現(xiàn)象，但胞晶并不會完全發(fā)生熔化或者合并現(xiàn)象，僅發(fā)生局部熔化和合并，胞晶的粗化是熔化和合并共同作用的結(jié)果；在定向凝固過程中，過冷度越小，固-液界面形態(tài)易向平界面發(fā)展；不同取向晶粒的生長過程中存在兩種不同的競爭機制，第一種多發(fā)生在二次枝晶不發(fā)達的時候，定向傾斜晶粒受周圍溶質(zhì)、溫度的影響，傾斜角度變小，向垂直方向偏轉(zhuǎn)。第二種多發(fā)生在二次枝晶發(fā)達的時候，定向傾斜枝晶受到周圍晶粒二次枝晶的阻擋逐漸被淘汰。
　　考慮到計算量的限制，

4、三維相場模型只能進行小區(qū)域的凝固組織演化模擬，為了擴大模擬的計算區(qū)域，提出了一種新方法，分區(qū)域順序計算技術(shù)，就是將計算區(qū)域分割成多個小區(qū)域，然后按順序依次計算。為了對這種技術(shù)進行驗證，將分區(qū)域順序計算與普通數(shù)值計算進行對比分析。結(jié)果表明：分區(qū)域順序計算技術(shù)可以減少單次計算的存貯量，而且區(qū)域與區(qū)域間凝固特征的傳遞誤差對晶粒的生長影響不大，這種技術(shù)具有一定的準確性和可靠性；采用這種技術(shù)可突破計算機本身節(jié)點的極限計算量，實現(xiàn)更大區(qū)域的相場法數(shù)