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对流作用下枝晶生长行为的相场法

袁训锋 , 丁雨田 , 郭廷彪 , 胡勇 , 唐向前

中国有色金属学报

基于Wheeler等提出的纯扩散相场模型,建立耦合溶质场、温度场和流场的相场模型,采用有限差分法对控制方程进行数值求解,研究Ni-Cu合金凝固过程中单晶粒枝晶和多晶粒枝晶在强制对流作用下的生长行为.结果表明:熔体的流动显著改变凝固前沿的传热和传质,从而改变枝晶的生长行为.在流速为6.43 m/s的垂直强制对流作用下,上游枝晶受过冷熔体冲刷,枝晶尖端溶质浓度和温度低,实际过冷度大,枝晶生长迅速,稳态生长速度比纯扩散时增加28%;热量和溶质在下游富集,下游枝晶尖端溶质浓度和温度高,实际过冷度小,枝晶生长缓慢,稳态生长速度比纯扩散时减小26%.

关键词: Ni-Cu合金 , 相场法 , 强制对流 , 枝晶生长 , 凝固 , 溶质场 , 温度场 , 流场

Comparison of Cellular Automaton and Phase Field Models to Simulate Dendrite Growth in Hexagonal Crystals

材料科学技术（英文）

关键词: 模型模拟 , 元胞自动机 , 枝晶生长 , 六角形 , 相场 , 金属凝固过程 , 二次枝晶臂间距 , 有限元模型

钛合金真空自耗电弧熔炼过程的多尺度模拟

李鹏飞 , 李金山 , 孙畅 , 寇宏超 , 钟宏 , 常辉 , 周廉

钢铁钒钛 doi:10.7513/j.issn.1004-7638.2013.02.006

采用以ANSYS软件建立的有限元模型对Ti6Al4V合金(O)600 mm铸锭真空自耗电弧熔炼过程中的温度场变化以及熔炼电流对熔池形貌的影响进行了研究,并耦合微观模拟的CAFD模型对铸锭几个特征区域凝固前沿的枝晶生长和V元素溶质偏析进行了模拟.结果表明,熔炼电流的增大使熔池深度和糊状区宽度变大,使熔炼达到稳态的时间提前；熔炼达到稳态时,铸锭中心处形成较短而不是十分连续柱状晶组织,二分之一半径处和边部则形成连续的柱状晶组织.

关键词: 钛合金 , 电弧熔炼 , 真空自耗 , 枝晶生长 , 有限元法 , CAFD模型 , 多尺度模拟

Phase field simulation of dendrite growth under convection

Yutian DING

金属学报(英文版)

The phase-field model coupled with a flow field was used to simulate the solidification of pure materials by the finite difference method. The effects of initial crystal radius, the space step and the interface thickness on the dendrite growth were studied. Results indicate that the grain grows into an equiaxial dendrite during free flow and into a typical branched structure under forced flow. The radius of an initial crystal can affect the growth of side-branches but not the stability of the dendrite's tip when an appropriate value is assigned to it. With an increase in space steps, side-branches appear at the upstream of the longitudinal principal branch and they grow rapidly. With an increase in the interface thickness, the trunk of the longitudinal upstream and lateral principal branches grow longer and become more slender while the number of secondary branches increases.

关键词: Phase field method , 强制对流 , 枝晶生长 , 模拟

极端非平衡条件下过冷熔体枝晶生长模型

王海丰 , 曹杨 , 刘峰 , 陈正

稀有金属 doi:10.3969/j.issn.0258-7076.2006.z2.011

考虑界面非平衡、弯曲界面对驱动力的影响,并且摒弃液固相线线性假设,得到了界面移动热力学驱动力;从液固相线非线性条件下的动力学边界条件出发,对稳定性判据进行了修正;在溶质截留模型中,综合考虑弛豫效应和非线性液固相线的影响,对Aziz模型进行了修正;基于相图分析,得到过冷度分配.综合以上分析,在非线性液固相线基础上,得到了新的二元过冷熔体自由枝晶生长模型.将该模型应用到Ni-0.7%B合金中,结果表明无论从定性上还是定量上都与实验结果吻合得很好.

关键词: 枝晶生长 , 弛豫效应 , 过冷 , 模型

相场法模拟 Zn-Al 二元合金凝固过程中的枝晶生长?

刘芳慧 , 高明

材料导报 doi:10.11896/j.issn.1005-023X.2015.12.032

建立了与温度场和溶质场相耦合的 Zn-Al 二元合金枝晶生长的相场模型，用相场法模拟了枝晶形貌及生长过程。通过分析得到的图像，研究了各向异性强度系数、界面动力学系数以及界面能对枝晶生长形貌和枝晶尖端生长速度的影响。结果表明：随着各向异性强度系数的增大，枝晶生长速率增加，且容易出现二次支臂。此外，界面动力学系数和界面能的增大也会不同程度地加速枝晶生长速率并对二次支臂的产生有着较为明显的促进作用。

关键词: 相场法 , 枝晶生长 , 数值模拟 , Zn-Al合金

相场方法模拟氙枝晶生长研究

陈志 , 陈长乐 , 郝丽梅

功能材料

基于相场方法对纯物质的凝固过程进行了二维数值模拟.以氙为例,展示了界面形貌的演化过程,研究了相场参数对枝晶界面形貌的影响.结果表明,随着过冷度值的增加,晶核由一圆核逐渐发展为发达的枝晶,相应的枝晶稳态尖端速度明显加快;随着耦合系数的增大,晶核由一圆核发展为细长的枝晶,枝晶的稳态尖端速度呈单调递增趋势,界面的稳定性逐渐变差.

关键词: 相场方法 , 氙 , 枝晶生长 , 尖端速度 , 各向异性 , 过冷度

枝晶研究的发展现状

黄琼 , 赵珊茸

人工晶体学报 doi:10.3969/j.issn.1000-985X.2002.05.014

本文主要介绍了枝晶研究的发展现状,主要包括枝晶形貌研究和生长理论研究两个方面.枝晶形貌方面:对生长形态选择问题,比较符合实际的解是"最大质量沉积速率"选择规律;枝晶分枝程度与过冷度和晶体对称性有关,分枝反映晶体的对称性.生长理论方面主要介绍三种生长模型:Zener近似因子模型,扩散限制聚集(DLA)模型和成核限制聚集(NLA)模型.并探讨了需进一步研究的两个方面:具对称结构的枝晶的生长机理和枝晶形貌的统一规范化描述.

关键词: 枝晶 , 枝晶形貌 , 枝晶生长 , 枝晶尖端

液态金属快速凝固过程的PFM模型

王君 , 孙加林

中国有色金属学报

近年来发展起来的PFM模型根据"溶质捕捉"和"溶质牵引"两种机制对金属及合金快速凝固过程进行数学描述及模拟, 较好地反映了金属凝固的物理本质. 介绍了PFM模型发展过程、研究现状及理论模型, 并对发展前景进行了展望.

关键词: 相区场模型 , 溶质捕捉 , 合金凝固 , 枝晶生长

高硅含量镁铝硅合金的组织与力学性能

张忠明 , 徐春杰 , 贾树卓 , 郭学锋

材料热处理学报

为探讨改善Mg-Al合金耐热性能的途径,开发性能优良、价格廉价的镁合金,采用硅合金化的方法,研究不同硅含量时Mg-9%Al-χ%Si合金(χ=3,6和9)的凝固组织和室温力学性能.结果表明,三种铸态合金均由α-Mg相、MgaSi和β-Mg17Al12组成.Mg2Si呈树枝状,且随硅含最提高,枝晶越发达,体积分数也增大.随Si量的增多,合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率下降,硬度提高.经过415℃× 12h固溶处理后,Mg2Si相的尖角钝化,部分Mg2Si相呈形状规整的椭圆形.固溶处理使Mg-9%Al-6%Si合金的抗拉强度和伸长率提高,时效可提高合金强度和硬度.Mg2Si相固液界面生长前沿的溶质边界层造成的成分过冷区及生长晶面上不同地方之间硅元素过饱和度的差异造成Mg2Si晶体凝固界面失稳,从而使得本属于小晶面生长的Mg2Si相在实际生长条件下为枝晶生长方式.

关键词: 镁铝硅合金 , 硅化镁 , 枝晶生长 , 固溶处理