強(qiáng)制對(duì)流影響凝固微觀組織的相場(chǎng)法研究.pdf

1、凝固材料在凝固過(guò)程中形成的微觀組織決定其最終性能,有效地控制凝固過(guò)程中微觀組織的形成具有重要理論和實(shí)際意義。對(duì)流作用在凝固過(guò)程中不可避免,并通過(guò)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(jì)算科學(xué)的發(fā)展,耦合流場(chǎng)的相場(chǎng)法模擬已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。枝晶是凝固過(guò)程中最常見(jiàn)的微觀組織,本文采用耦合流場(chǎng)的相場(chǎng)模型模擬了凝固中的枝晶生長(zhǎng)過(guò)程,研究了強(qiáng)制對(duì)流作用下的枝晶生長(zhǎng)機(jī)制,定量分析了有無(wú)強(qiáng)制對(duì)流作用下枝晶尖端生長(zhǎng)行為,

2、為有效預(yù)測(cè)和改善材料性能奠定了良好的理論基礎(chǔ)。
　　 本文在Wheeler相場(chǎng)模型的基礎(chǔ)上,耦合溫度場(chǎng)和流場(chǎng)建立了強(qiáng)制對(duì)流作用下純物質(zhì)枝晶生長(zhǎng)相場(chǎng)模型;進(jìn)一步耦合溶質(zhì)場(chǎng)建立了強(qiáng)制對(duì)流作用下二元合金枝晶生長(zhǎng)相場(chǎng)模型。在數(shù)值求解過(guò)程中,選用基于均勻網(wǎng)格的有限差分對(duì)控制方程進(jìn)行離散,為了避免時(shí)間步長(zhǎng)的限制,提高計(jì)算效率,溫度場(chǎng)控制方程用交替顯隱式法求解。采用Visual C++語(yǔ)言實(shí)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(chǎng)模型計(jì)算程序集成,建立了相場(chǎng)法微觀組織模擬的可視化軟件系統(tǒng)。
　　 采用強(qiáng)制對(duì)流作用下純物質(zhì)相場(chǎng)模型,以純Ni為例,模擬研究了強(qiáng)制對(duì)流作用下純物質(zhì)單枝晶和多枝晶生長(zhǎng)演化過(guò)程。結(jié)果表明,在單枝晶生長(zhǎng)時(shí),逆流枝晶臂生長(zhǎng)迅速,順流枝晶臂生長(zhǎng)緩慢,水平枝晶臂逆流側(cè)和順流側(cè)的生長(zhǎng)也存在顯著差別;在多枝晶生長(zhǎng)時(shí),受強(qiáng)制流動(dòng)、晶體結(jié)構(gòu)特征和生長(zhǎng)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(zhǎng)方向上的枝晶臂生長(zhǎng)受到促進(jìn),主枝和側(cè)枝發(fā)達(dá),

4、其它優(yōu)先生長(zhǎng)方向的枝晶臂生長(zhǎng)均受到抑制,主枝和側(cè)枝退化,模擬結(jié)果與重力對(duì)流作用下的丁二腈枝晶生長(zhǎng)形貌相吻合。
　　 采用強(qiáng)制對(duì)流作用下二元合金相場(chǎng)模型,以Ni-Cu合金為例,模擬研究了強(qiáng)制對(duì)流作用下二元合金單枝晶和多枝晶生長(zhǎng)演化過(guò)程。結(jié)果表明,在強(qiáng)制對(duì)流作用下,逆流枝晶臂受過(guò)冷熔體沖刷,枝晶臂尖端溶質(zhì)濃度和溫度低,實(shí)際過(guò)冷度大,枝晶臂生長(zhǎng)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(shí)際過(guò)冷度小,枝晶臂生長(zhǎng)緩慢。

5、多枝晶共同生長(zhǎng)時(shí),枝晶間內(nèi)部區(qū)域的枝晶臂生長(zhǎng)主要受相鄰枝晶控制,遠(yuǎn)離邊界的外部區(qū)域的枝晶臂生長(zhǎng)主要受流場(chǎng)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(chǎng)下Sn-Bi合金枝晶生長(zhǎng)形貌一致。
　　 采用適應(yīng)hcp晶系的二元合金相場(chǎng)模型,模擬研究AZ91D鎂合金凝固中純擴(kuò)散和強(qiáng)制對(duì)流作用下單枝晶和多枝晶生長(zhǎng)過(guò)程。結(jié)果表明,在純擴(kuò)散條件下,枝晶表現(xiàn)出明顯的六方異性,各方向均衡生長(zhǎng);在強(qiáng)制對(duì)流作用下,流體逆流側(cè)3個(gè)方向的枝晶臂明顯比流體

6、順流側(cè)3個(gè)方向的枝晶臂生長(zhǎng)快,各枝晶臂長(zhǎng)度存在很大差異。在多晶粒生長(zhǎng)初期,各晶粒獨(dú)立生長(zhǎng),為規(guī)則正六邊形;隨著凝固的進(jìn)行,正六邊形晶粒逐漸發(fā)展成枝晶,相向生長(zhǎng)的枝晶臂互相影響并競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng),不同枝晶的一次枝晶臂彼此抑制,最終形成不對(duì)稱枝晶形貌。模擬結(jié)果與實(shí)際枝晶形貌接近。
　　 對(duì)σ=σ0[1+εkcos(kθ)]形式的界面能各向異性函數(shù)進(jìn)行修正,建立了修正的相場(chǎng)模型,在對(duì)純擴(kuò)散情況下Si枝晶生長(zhǎng)形貌進(jìn)行模擬研究并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比的基

7、礎(chǔ)上,以Ni-Cu合金為例,對(duì)純擴(kuò)散和強(qiáng)制對(duì)流作用下的高界面能各向異性二元合金枝晶生長(zhǎng)行為進(jìn)行預(yù)測(cè)。結(jié)果表明,在高界面能各向異性純Si枝晶生長(zhǎng)中,部分晶向角方向的生長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合。在高界面能各向異性Ni-Cu合金枝晶生長(zhǎng)中,當(dāng)界面能各向異性強(qiáng)度ε4＜1/15時(shí),隨著國(guó)增加,枝晶尖端速度增大,且在接近1/15處達(dá)到最大值;當(dāng)ε4=1/15時(shí),枝晶尖端速度下降4.3

8、4％;進(jìn)一步增加ε4時(shí),枝晶尖端速度先增到極大值后逐漸減小。引入界面動(dòng)力學(xué)各向異性后,界面僅存在界面動(dòng)力學(xué)各向異性6時(shí),固相以類矩形方式沿<110>方向生長(zhǎng);界面同時(shí)存在δ、ε4和僅存在ε4時(shí),固相以枝晶方式沿<100>方向生長(zhǎng)。在流速為6.43 m/s的強(qiáng)制對(duì)流作用下,枝晶的逆流側(cè)受過(guò)冷熔體沖刷,逆流枝晶臂生長(zhǎng)迅速,與純擴(kuò)散時(shí)相比穩(wěn)態(tài)生長(zhǎng)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(zhǎng)緩慢,與純擴(kuò)散時(shí)相比穩(wěn)態(tài)生長(zhǎng)速度減小1