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復雜的過程，既包含宏觀的傳熱、傳質、液體流動、結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再分配等過程。凝固一般是在高溫條件下進行的，直接測量和觀察其生長過程參數(shù)與形貌相當困難，凝固過程的研究倘若只從實驗的角度進行勢必會困難重重，計算機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，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，非平衡溶質擴散效應無法合理地引入模型當中。在此背景下，本文擬從熱力學極值原理出發(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。本文主要研究內容與結論如下：1.借助于熱力學極值原理，二元合金體系中的額外限制條件得到熱力學自洽性地解決，自然地推導出非平衡凝固時非守恒的相場傳播和守恒的溶質擴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倒易關系。2.在一維穩(wěn)態(tài)生長，固相中溶質擴散忽略情況下，對當前相場模型進行理論分析，發(fā)現(xiàn)當前相場模型的溶質截留效應與尖銳界面模型相應效應具有相似性；利用有效移動性方法將非平衡溶質擴散效應綜合引入到長程溶質擴散和短程溶質再分配當中，可預測從擴散控制型生長到無擴散凝固的轉變和溶質拖拽消失的同時發(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)和溶質拖拽因子的計算，得到了與上述理論分析一致的結果。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”分析進一步提高模擬效率。5.將多元濃溶液合金相場模型應用到不同成分的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，會發(fā)生反常溶質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。同時通過計算結果對比研究了尖銳界面模型與當前相場模型的物理聯(lián)系。關鍵詞：非平衡凝固；相場模型；熱力學；動力學；濃溶液；多元合金I西北工業(yè)大學工學碩士學位論文4.Anextensionofthephasefieldmodelfbinaryalloystomulticomponentalloysshowsthattwosetsofphasefieldmodelcanbeobtainedone

6、ofwhichismuchsimplerthanallthepreviousphasefieldmodelsfmulticomponentalloys.Underequilibriumconditiononecanseethattheinterfacebulkcontributionscanbedecoupledcompletelyindicatingthatitisfeasibletoincreasethesimulationeffi

7、ciencybythe“thininterfacelimit”analysis.5.ApplyingthephasefieldmodelfmulticomponentalloystononequilibriumsolidificationofAlSiCuternaryalloysindicatesthatiftheinteractionbetweenthecomponentsisstronganomaloussolutetrapping

8、anomaloussoluteprofileswithinthediffuseinterfacecouldoccurthushighlightingtheimptanceofinteractionamongthecomponentelementsinmulticomponentalloys.Keywds:NonequilibriumsolidificationPhasefieldmodelThermodynamicsKiicsConce