二元合金定向凝固过程的相场模拟

摘要

金属凝固过程中形成的微观组织决定着铸件的性能和使用寿命，控制微观组织的形成显得尤其重要。用相场法进行合金凝固时微观组织形成过程的模拟，对优化工艺参数、提高铸件质量，不仅具有重要的理论学术意义，而且也具有重要的工程应用价值。 本文在Karma模型的基础上，建立了耦合温度场的纯物质枝晶生长的相场模型；进一步耦合溶质场，建立了相场、溶质场、温度场三场耦合的二元合金定向凝固的相场模型。选用基于均匀网格的显式有限差分对控制方程进行离散，应用C语言实现相关程序的编制，对过冷熔体中纯物质枝晶生长过程和定向凝固界面形态的演化过程进行了模拟。采用Tecplot软件实现模拟结果的可视化。 在过冷熔体纯物质枝晶生长过程中，相场和温度场的耦合系数λ、热扩散系数DT界面原子运动的时间参数t0对纯物质过冷熔体中的枝晶生长形貌有重要影响。研究结果表明：随着耦合系数的增加，晶粒形态由紧实枝晶→光滑枝晶→海藻状形态；随着热扩散系数的增加，晶粒形态由光滑枝晶→紧实枝晶；随着界面原子运动时间变量的增加，晶粒形貌由复杂枝晶→光滑枝晶→紧实枝晶→球状形态。还发现，纯物质枝晶生长过程中的界面动力学系数取值由相场和温度场的耦合系数λ、热扩散系数DT、界面厚度W0、界面原子运动时间变量t0等参数综合决定；随着界面动力学系数β0的增加，枝晶尖端生长速度Vtip减小，枝晶尖端半径Rtip增大。 利用相场法可以准确的对二元合金定向凝固过程中的界面形态、晶粒生长进行模拟，成功再现胞晶间竞争生长过程。在二元合金定向凝固过程中，各向异性系数γ界面能σ、界面厚度δ对定向凝固过程中固液界面的形态及微观组织演化有重要影响，竞争淘汰是胞状生长过程中的主要生长方式。研究结果表明：在各向同性的情况下，晶体生长为浅胞状枝晶生长；当引入各向异性后，随着各向异性系数的增大，晶体生长由浅胞状枝晶向深胞状枝晶生长转变；随着界面能和界面厚度的增加，胞晶间的凹坑变浅，晶体生长由深胞状枝晶向浅胞状枝晶转变。 在无扰动时，界面处产生的自扰动不能被很快的放大，表面张力的反扰动特性使扰动最终消失，固液界面为平界面；引入界面扰动，使得固液界面的稳定性受到破坏，界面形态由初始平面转变为胞晶；随着扰动强度的增加，晶粒的生长速度加快，胞状晶粒明显细化，界面前沿的溶质扩散层变薄，微观偏析程度减小，溶质截留现象明显。 为了验证模拟结果的正确性，对Al-4.5％Cu二元合金的定向凝固组织进行实验研究，将定向凝固过程中的横纵界面与模拟结果进行比较分析。结果表明，模拟结果与实验结果一致，从而验证了相场模型和模拟结果的正确性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1选题目的和意义

1.1.1研究目的

1.1.2研究意义

1.2凝固过程数值模拟的研究与发展

1.2.1凝固过程数值模拟的研究方法

1.2.2凝固过程数值模拟的研究发展现状

1.3定向凝固过程的数值模拟

1.4本文研究的主要内容

第2章相场模型

2.1两种界面模型

2.1.1尖锐界面模型

2.1.2扩散界面模型

2.2相场模型的原理

2.2.1基本原理

2.2.2基于熵函数的相场模型

2.2.3基于自由能泛函的相场模型

2.3相场模型的建立

2.3.1纯物质相场模型的建立

2.3.2二元合金相场模型的建立

2.3.3各向异性的引入

2.3.4相场参数的选择

2.4本章小结

第3章相场模型的数值求解及结果的可视化

3.1数值计算方法简介

3.1.1有限差分法

3.1.2有限元法

3.1.3直接差分法

3.1.4边界单元法

3.2控制方程显式差分求解

3.2.1纯物质相场模型控制方程的显式解法

3.2.2二元合金相场模型控制方程的显式解法

3.2.3方程求解的稳定性条件

3.3程序的实现

3.3.1总体模块设计

3.3.2扰动的设置

3.3.3初始条件与边界条件的设定

3.3.4物性参数与相场参数

3.4计算结果的可视化

3.5本章小结

第4章纯物质枝晶生长的相场模拟

4.1纯物质枝晶生长的相场形貌和温度场

4.1.1晶粒生长形态的分类

4.1.2过冷纯金属熔体中枝晶生长的相场形貌和温度场

4.2相关参数对枝晶形貌的影响

4.2.1相场和温度场的耦合系数对枝晶形貌的影响

4.2.2热扩散系数对枝晶形貌的影响

4.2.3界面原子运动的时间参数对枝晶形貌的影响

4.3界面动力学系数对枝晶尖端半径和尖端生长速度的影响

4.3.1影响界面动力学系数取值的因素

4.3.2界面动力学系数对枝晶尖端生长速度和尖端半径的影响

4.4本章小结

第5章二元合金定向凝固过程的相场模拟

5.1温度冻结近似

5.2定向凝固微观组织的演化过程

5.3扰动强度对界面形态的影响

5.4各向异性对界面形态及溶质偏析的影响

5.5界面能对界面形态及溶质偏析的影响

5.6界面厚度对界面形态及溶质偏析的影响

5.7本章小结

第6章模拟结果实验验证

6.1实验材料与设备

6.1.1实验材料

6.1.2实验设备

6.2实验方法

6.2.1实验方案

6.2.2金相试样制备

6.3二元合金定向凝固胞晶/枝晶形貌分析

6.4本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A攻读学位期间所发表的学术论文