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NiCu合金的相场法模拟及相关模型的研究

【摘要】:微观组织计算机模拟的发展及应用是凝固理论用于实际生产的最佳途径。目前能够模拟微观组织的模型主要有:确定性方法、随机方法以及相场法。相场法由于能够有效的描述系统在非平衡状态下所形成的复杂相界面的演变,不用跟踪其固液界面区域的形态,就能模拟金属凝固时其枝晶界面演化的复杂形貌,是当前凝固组织微观模拟研究的前沿领域。基于Karma极限薄界面相场模型,分析了热耦合强度对纯Ni枝晶生长的影响。随着热耦合强度逐步减弱,潜热温度场对相场的抑制作用削弱,主枝出现更多的二次枝晶且逐步粗化。采用耦合热扰动的相场模型,对Ni-Cu合金枝晶生长过程中的枝晶形貌和微观偏析进行计算。随过冷度增加,一次枝晶干轴对称中心处的溶质浓度升高,一次枝晶干和二次枝晶臂间富集了更多的溶质。过冷度越大,固液界面前沿溶质扩散层越薄,枝晶的微观偏析越严重。即溶质微观偏析程度随过冷度的增大而增大。基于WBM II型相场模型,在其基础上对界面区域的溶质浓度设定进行进一步细化定义和分析,使其更符合实际的凝固情况。对模型中的界面厚度进行修正,并在此基础上对Ni-Cu合金枝晶生长过程中的枝晶形貌和溶质分布进行了模拟。随界面厚度减小,二次枝晶更发达,枝晶主干变细。界面厚度越小,固液界面前沿溶质扩散层就变得越薄,其前沿的溶质就更容易扩散到相邻的液相中,枝晶生长就越快。

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