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二元合金定向凝固的相场法数值模拟

【摘要】:定向凝固技术的理论研究也一直是凝固界的重要课题,它提供了一种有效的材料制备和成形方法,在实际生产中得到了越来越广泛的应用。固/液界面形态研究是凝固理论研究的重要组成部分,它与最终的凝固组织和内部缺陷有密切的联系。本文利用相场法微观组织数值模拟技术,对Ni-Cu二元合金定向凝固的界面形态演化过程进行了模拟仿真,刻划了不同模拟条件下的晶体生长方式,探讨了定向凝固中的晶体生长机制。 本文在参阅目前相场理论的基础上,通过相场方程与浓度场方程的耦合,发展了二元合金定向凝固的二维相场模型。基于均匀网格的有限差分法,采用C语言编制了定向凝固晶体生长的相场法数值模拟程序,提出了胞晶尖端生长速度、固相溶质浓度及界面前沿溶质分配系数等的计算方法,利用相关的图像生成软件,采用多点拟合法对相关计算结果进行了动态显示。 考虑到计算量的限制,将界面厚度处理为输入参数,研究了界面厚度参数ξ、各向异性系数γ及热扰动幅值α对模拟结果的影响。结果表明,随着ξ的减小,晶体生长形态由胞晶逐步转变为树枝晶,胞晶尖端生长速度增加,稳定性下降;各向异性系数γ越小,尖端生长速度越小,越易于侧向分支的生长,形成胞状枝晶;热扰动幅值α对界面形态也有重要影响,当α取值适当时,便引发侧向分支,形成胞状枝晶;讨论了界面自由能σ对微观组织的影响,随着σ的增加,得到分布较均匀的细胞晶组织,同时界面前沿溶质扩散层厚度减小。 利用相场法模型研究了二元合金定向凝固的溶质截留效应,研究结果表明,溶质梯度系数δ影响固/液界面处溶质扩散层的厚度和扩散层内的溶质分布,对溶质分配系数k有较大影响,随着溶质梯度系数的增加,溶质分配系数k增大,溶质截留效应越明显。讨论了不同固相溶质扩散系数D_s下的界面形态和溶质分布,随着D_s的增大,胞晶尖端生长速度下降,溶质截留效应减弱;而当固相溶质扩散系数小于10~(-7)cm~2/s数量级时,D_s对界面前沿溶质分布没有明显的影响,因此,通常情况下都忽略固相溶质扩散。

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