NiCu合金枝晶生长相场法模拟及关键技术研究

摘要

凝固过程中材料的微观组织形成与演化对材料的使用性能有着重要的影响,对凝固微观组织进行数值模拟,有助于深入理解材料微观组织的性质,优化金属铸件加工工艺。相场法采用扩散界面模型,由于不必跟踪固/液界面,在凝固过程微观组织形成的数值模拟中越来越受到重视。
　　本文采用相场法模拟了纯Ni金属二维枝晶生长、三维枝晶生长以及定向凝固生长过程,并将温度场与溶质场同相场模型进行耦合,模拟了非等温条件下NiCu合金枝晶生长过程,系统的探讨了界面动力学相关参数对金属凝固过程枝晶生长的影响。
　　界面原子运动时间参数表征原子由液相向固/液界面添加的快慢,当界面原子运动时间参数较小时,原子添加速度较快,固/液界面向液相推进速度加快,固/液界面前沿变的不稳定,扰动容易被放大,枝晶生长速度加快,并出现二次分支,随着界面原子运动时间参数的增大,扰动受到抑制,枝晶生长速度降低,枝晶呈现光滑的形貌。模拟得到的结果同微观可解析理论一致,验证了模拟的准确性。
　　模拟过程中界面厚度不仅影响到枝晶模拟的真实性,又能影响数值计算的准确性。界面厚度较大时,容易引入误差噪声,扰动容易被放大,枝晶生长速度加快,枝晶形貌粗大并产生侧向分支,随着界面厚度的减小,误差噪声受到抑制,枝晶形貌光滑圆润,枝晶生长速度降低。误差噪声对模拟的最终结果影响很大,必须严格控制误差噪声。
　　固/液界面热扩散系数比较小时,固相热扩散率较低,枝晶尖端生长速度较快,凝固潜热大量堆积在枝晶中下部,产生热扰动并诱发侧向分支;当固液界面热扩散系数较大时,固相热扩散率增大,凝固潜热可以较快的传递到枝晶上端,抑制了枝晶尖端的生长速度,热扰动受到抑制,枝晶形貌较为光滑。
　　界面各向异性决定着晶粒以枝晶状进行生长,界面各项异性较大时,枝晶生长速度加快,扰动容易被放大,形成复杂的枝晶形貌;当界面各项异性系数较小时,扰动受到抑制,枝晶生长速度减小。

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目录

1 绪 论

1.1 引言

1.2 微观组织的数值模拟发展概况

1.3 相场法微观组织模拟的研究现状

1.4 存在的主要问题和发展趋势

1.5 本课题主要的研究内容

2 相场理论及模型

2.1 数学模型

2.2 相场基本原理

2.3 相场模型的建立

2.4 相场差分稳定性条件

2.5 一些重要参数的计算

2.6 程序实现流程图

3 纯Ni二维枝晶非等温相场法模拟

3.1 引言

3.2耦合温度场的相场方程

3.3 初始边界条件

3.4 数值计算方法

3.5 材料物性参数

3.6 相场模拟与结果分析

3.7 本章小结

4 纯Ni三维枝晶相场法模拟

4.1 引言

4.2 三维相场模型及其控制方程

4.3 相场模拟与结果分析

4.4 本章小结

5 纯Ni定向凝固相场法模拟

5.1 引言

5.2 相场模型及其控制方程

5.3 初始条件和边界条件

5.4 相场模拟与结果分析

5.5 本章小结

6 界面原子运动时间参数对NiCu合金枝晶生长的相场法模拟

6.1 引言

6.2 二元合金相场控制方程

6.3 数值计算及参数确定

6.4 模拟结果与分析

6.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果

攻读硕士学位期间参与的科研项目

致谢