小晶面枝晶生長的相場法模擬研究.pdf

1、鑄造生產(chǎn)，即將液態(tài)合金熔體澆注到鑄型中使之冷卻、凝固，得到具有一定形狀和尺寸的金屬制品的生產(chǎn)過程。在宏觀尺寸上，凝固成形過程賦予了金屬產(chǎn)品特定的形狀，在微觀上決定了金屬產(chǎn)品的組織、結(jié)構(gòu)和性能。金屬鑄件的綜合機械性能及使用性能的優(yōu)劣直接受到凝固成形過程中微觀組織變化的影響，有效地控制或引導(dǎo)凝固過程中微觀組織的形成對于生產(chǎn)出具有優(yōu)良綜合機械加工性能的鑄件意義重大。
　　相場法作為一種有效地預(yù)測過冷熔體凝固過程的數(shù)值模擬計算方法，在模擬

2、枝晶生長方面得到了廣泛的應(yīng)用。強的各向異性或外場作用條件下，金屬/合金凝固過程晶體的形核和長大將以小晶面枝晶的生長機理進行。本文闡述了國內(nèi)外采用相場法模擬小晶面枝晶生長的研究現(xiàn)狀，對不同的模擬結(jié)果進行了分析討論。在Kim等人提出的相場模型的基礎(chǔ)上，本文應(yīng)用界面能的校正形式，建立二元合金小晶面枝晶生長的相場模型，對Si-10％Ni稀溶液二元合金小晶面枝晶生長進行了模擬，并提出了該領(lǐng)域進一步的研究方向。
　　模擬結(jié)果表明，當(dāng)各向異性強

3、度系數(shù)超過臨界值v=1/15，枝晶生長表現(xiàn)出小晶面生長形態(tài)，枝晶尖端曲率效應(yīng)消失，呈現(xiàn)出棱角狀的不連續(xù)結(jié)構(gòu);在枝晶主支上產(chǎn)生大量側(cè)向分支。通過將模擬結(jié)果與實驗觀察的對比分析，驗證了小晶面枝晶生長相場模型的有效性。界面厚度對小晶面枝晶的生長形貌、溶質(zhì)場再分配以及枝晶生長速度有著重要的影響:薄的擴散界面有利于凝固潛熱的釋放，促進了固-液界面向液相中推進，使得熱擾動增加，利于二次枝晶以及高次枝晶的形成;由于較小的界面厚度個有利于溶質(zhì)原子擴散和

4、結(jié)晶潛熱的釋放，所以隨著界面厚度的增加，枝晶生長速度不斷減小。過冷度作為熔體凝固的先決條件，其取值的大小直接關(guān)乎小晶面枝晶形貌以及生長速度的變化:隨著過冷度的增加，枝晶生長速度加快，二次枝晶臂產(chǎn)生數(shù)量增多。隨著各向異性系數(shù)v值得不斷增大，二次枝晶愈加發(fā)達，二次枝晶數(shù)量增多，枝晶臂粗化，由此引發(fā)的溶質(zhì)截留效應(yīng)突出，同時小晶面枝晶宏觀特征越發(fā)明顯，具有晶面狀晶體特征。在v值小于臨界值前枝晶生長速度隨v值增加而遞增，但當(dāng)v值超過臨界值時小晶面