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半固态球状枝晶形成过程的相场法数值模拟

【摘要】:半固态成型技术的关键在于半固态浆料的制备,而半固态浆料制备中球状组织的形成和球状组织的演化过程一直是物理学家和材料学家们研究的热点。微观组织的结构形貌决定了材料的组织性能,深入研究半固态凝固过程中枝晶生长演变对进一步提高材料性能有重要作用。相场法作为一种比较成熟的数值模拟方法,可以有效模拟平衡状态下微观枝晶组织形成过程。本文以KKS相场模型为基础,建立相场与流场和溶质场相藕合的相场模型,结合半固态组织特点,引入晶核自旋,并对质量和动量控制方程进行求解。根据控制方程的特点采用不同的离散方法进行求解。最后编制求解程序,求解离散的控制方程。通过Origin9.0数据分析软件分析程序运算数据得出可视化结果,从而分析枝晶生长过程和各因素对枝晶形貌和溶质分布的影响。本文分别对二元合金和三元合金进行了数值模拟,探究半固态球状组织的形成过程。研究结果表明:晶核自旋是枝晶由树枝状向蔷薇状进而向球状转化的重要因素。流场作用下熔体冲刷枝晶,使被冲刷面枝晶加速生长,而未被冲刷面枝晶抑制生长,晶核自旋使这种促进与抑制作用周期性对换,枝晶在各个方向上基本共同生长,流速的增加和过冷度的增大都加快了枝晶的生长,从而进一步促进枝晶向蔷薇状转化最后形成球状组织;枝晶自旋角速度的增加使枝晶臂弯曲程度加大进而使枝晶有明显旋向生长趋势;不论是对二元合金还是三元合金,流速的增加都会促使晶粒的较快生长,并且二次枝晶臂生长尤为明显;初始温度的降低使枝晶凝固时的过冷度增大,进而加快了合金中溶质的扩散速度,枝晶生长随之加快;

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