NiCu合金枝晶生长三维相场法模拟及关键技术研究

论文摘要

对铸件的凝固组织进行数值模拟,有利于深入理解凝固组织形成机制,从而优化铸件的成型工艺。本文基于凝固枝晶生长的二维相场模型,建立了其三维相场模型。枝晶生长过程可以分为两个阶段。第一阶段,晶核在过冷熔体中逐渐长大,并沿主轴方向优先生长;第二阶段,在一次枝晶臂上萌发侧向分支,当一次枝晶臂生长到边界时,生长受到限制,枝晶主干停止生长,侧向分支竞争生长并且粗化,趋于充满计算区域。界面原子运动时间参数τ0对枝晶形貌影响很大。当τ0很小时,固液界面不稳定,扰动容易放大,形成复杂的边枝,枝晶形状发生了变异,扰动的影响使晶粒生长速度较快,随着τ0的增大,固液界面变得稳定,形成了光滑的枝晶形貌。随着过冷度增加,枝晶尖端生长速度加快,过冷度越大,侧向分支越多。热噪声对定向凝固固液界面形态转变起了重要作用,在热噪声作用下,晶体生长形态将由光滑的胞晶结构向侧向分支的胞状枝晶转变。本文研究了各向异性系数对NiCu合金枝晶生长的影响,随着各向异性增加,NiCu合金固液界面浓度梯度增加,枝晶生长速度加快,当各向异性系数增大到0.07时,由于枝晶尖端生长速度大于溶质原子扩散速度,使得溶质原子聚集在固相中,从而大大提高了固相浓度。相场和温度场的耦合强度是非常重要的参数,它决定着热量和凝固的联系,对晶粒的生长具有绝对的控制作用。当耦合系数很小时,温度场对相场的影响较小,各个方向的生长速度大致相同,各向异性不明显;随着耦合系数的增大,各向异性程度加强,各个方向的生长速度变快,主轴方向的生长优势突出,枝晶主枝开始变得细长,界面前沿稳定,晶核长大为光滑的枝晶,温度边界层变薄。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 凝固过程微观组织模拟的研究意义和背景
• 1.2 微观组织模拟的研究方法及其发展概况
• 1.2.1 元胞自动机法（Cellular Automaton Method）
• 1.2.2 Monte Carlo 法
• 1.2.3 相场法（Phase Field Method）
• 1.3 相场法模拟微观组织的研究现状
• 1.3.1 纯物质凝固组织的相场法研究现状
• 1.3.2 合金的相场法研究概况
• 1.3.3 维度模拟概况
• 1.4 本课题研究的内容
• 第2章 相场理论及模型
• 2.1 相场法基本原理
• 2.2 纯物质二维相场模型
• 2.2.1 熵函数法建模
• 2.2.2 自由能函数法
• 2.2.3 纯物质三维相场模型
• 2.2.4 二元单相合金二维相场模型
• 2.3 相场中的过冷度
• 2.4 相场中枝晶尖端半径和生长速度的计算
• 2.5 二次枝晶间距和幅值的计算
• 2.6 程序实现的流程图
• 第3章 纯物质二维枝晶非等温生长相场法模拟
• 3.1 耦合温度场的相场方程
• 3.2 初始条件和边界条件
• 3.3 数值计算方法
• 3.4 物性参数
• 3.5 模拟结果与分析
• 3.5.1 界面原子运动时间参数对枝晶形貌的影响
• 3.5.2 相场与温度场耦合系数对枝晶形貌的影响
• 3.5.3 纯Ni 定向凝固过程的相场法模拟
• 3.5.4 定向凝固温度场控制方程
• 3.5.5 热噪声引入
• 3.5.6 初始条件和边界条件
• 3.5.7 枝晶形貌
• 3.6 本章小结
• 第4章 三维枝晶生长相场法研究
• 4.1 引言
• 4.2 三维相场模型及相场方程
• 4.3 模拟结果及分析
• 4.3.1 初始晶核半径对枝晶生长的影响
• 4.3.2 过冷度对晶体生长形貌的影响
• 4.3.3 各向异性强度对晶体生长形貌的影响
• 4.3.4 界面原子运动时间参数对枝晶形貌的影响
• 4.3.5 网格空间步长对枝晶形貌的影响
• 4.3.6 界面厚度对枝晶形貌的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 相场参数对NiCu 合金自由枝晶生长的影响
• 5.1 引言
• 5.2 物性参数及相场方程
• 5.2.1 物性参数
• 5.2.2 耦合温度场的相场方程
• 5.2.3 溶质扩散方程
• 5.2.4 热扩散方程
• 5.2.5 初始条件和边界条件
• 5.3 各向异性对枝晶生长过程中浓度场的影响
• 5.4 相场和温度场耦合强度对枝晶形貌的影响
• 5.4.1 模拟结果与分析
• 5.4.2 耦合强度对枝晶浓度场分布的影响
• 5.4.3 模拟结果与经典枝晶生长理论的比较
• 5.5 微观组织模拟结果与实验验证结果对比
• 5.6 本章小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 附录 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢