基于PF-LBM模型二元合金枝晶生长的三维模拟研究

摘要

材料的凝固微观组织是三维结构组织，就微观组织综合信息研究方面，采用二维模拟信息来表征三维结构组织是不全面的甚至是错误的。树枝晶是凝固过程中常见的组织现象，树枝晶长大过程中始终伴随熔体的流动，熔体的流动会对动量、质量及热量的传输产生直接性的影响，使枝晶的生长形貌发生改变，因此研究三维空间内流动场与枝晶生长的关系对实际凝固理论有着重要的指导意义。
　　本文将计算流体的三维Lattice Boltzmann模型与基于KKS的三维枝晶生长的相场模型进行耦合，建立强迫对流环境下枝晶等温生长的三维PF-LBM模型，以Al-Cu合金为例，研究了耦合强迫流动场时三维枝晶的生长行为。分析不同流速、过冷度、各向异性以及 Cu的初始成分与三维枝晶演化形态的关系；将三维模拟结果与二维以及实验拍摄得到的枝晶生长形貌进行比较。结果表明：强迫对流作用使三维枝晶呈倾斜式生长，迎流侧枝晶比背流侧生长快；界面前沿的溶质呈倾斜式分布，迎流侧溶质扩散层小于背流侧，溶质主要分布在背流侧界面。流速越大，枝晶的倾斜式生长形貌越明显；迎流侧界面处的等浓度线越密集﹑枝晶尖端溶质浓度越低﹑枝晶生长越快；背流侧界面处的等浓度线越稀疏﹑枝晶尖端溶质浓度越高﹑枝晶生长越慢。过冷度越大，枝晶生长速度越快，固相溶质浓度越高；迎流侧溶质等浓度线越密集﹑枝晶尖端溶质浓度越高；背流侧溶质等浓度线越稀疏﹑枝晶尖端处溶质浓度出现波动。耦合流场的情况下，各向异性越大，主枝晶臂越细﹑枝晶生长速度越快；Cu的初始成分越大，枝晶生长越慢，界面处等浓度线越稀疏，固相溶质浓度和界面处溶质浓度越高。三维模拟中液态金属的流动状况比二维模拟复杂﹑流动对枝晶演化形态的影响比二维大。本文模拟的三维结果与实验拍摄得到的枝晶生长形貌一致，表明所建模型模拟结果的准确性。