强制对流影响凝固微观组织的相场法研究

论文摘要

凝固材料在凝固过程中形成的微观组织决定其最终性能,有效地控制凝固过程中微观组织的形成具有重要理论和实际意义。对流作用在凝固过程中不可避免,并通过改变固液界面附近的溶质和温度分布影响凝固微观组织的形成。随着计算科学的发展,耦合流场的相场法模拟已经成为国内外学者研究的热点。枝晶是凝固过程中最常见的微观组织,本文采用耦合流场的相场模型模拟了凝固中的枝晶生长过程,研究了强制对流作用下的枝晶生长机制,定量分析了有无强制对流作用下枝晶尖端生长行为,为有效预测和改善材料性能奠定了良好的理论基础。本文在Wheeler相场模型的基础上,耦合温度场和流场建立了强制对流作用下纯物质枝晶生长相场模型;进一步耦合溶质场建立了强制对流作用下二元合金枝晶生长相场模型。在数值求解过程中,选用基于均匀网格的有限差分对控制方程进行离散,为了避免时间步长的限制,提高计算效率,温度场控制方程用交替显隐式法求解。采用Visual C++语言实现相关模拟程序的编制,直接将Tecplot可视化程序与相场模型计算程序集成,建立了相场法微观组织模拟的可视化软件系统。采用强制对流作用下纯物质相场模型,以纯Ni为例,模拟研究了强制对流作用下纯物质单枝晶和多枝晶生长演化过程。结果表明,在单枝晶生长时,逆流枝晶臂生长迅速,顺流枝晶臂生长缓慢,水平枝晶臂逆流侧和顺流侧的生长也存在显著差别;在多枝晶生长时,受强制流动、晶体结构特征和生长空间的共同作用,仅有指向逆流侧外部区域的优先生长方向上的枝晶臂生长受到促进,主枝和侧枝发达,其它优先生长方向的枝晶臂生长均受到抑制,主枝和侧枝退化,模拟结果与重力对流作用下的丁二腈枝晶生长形貌相吻合。采用强制对流作用下二元合金相场模型,以Ni-Cu合金为例,模拟研究了强制对流作用下二元合金单枝晶和多枝晶生长演化过程。结果表明,在强制对流作用下,逆流枝晶臂受过冷熔体冲刷,枝晶臂尖端溶质浓度和温度低,实际过冷度大,枝晶臂生长迅速;热量和溶质在顺流侧富集,顺流枝晶臂尖端溶质浓度和温度高,实际过冷度小,枝晶臂生长缓慢。多枝晶共同生长时,枝晶间内部区域的枝晶臂生长主要受相邻枝晶控制,远离边界的外部区域的枝晶臂生长主要受流场控制。模拟结果与同步辐射X射线成像观察到的直流电场下Sn-Bi合金枝晶生长形貌一致。采用适应hcp晶系的二元合金相场模型,模拟研究AZ91D镁合金凝固中纯扩散和强制对流作用下单枝晶和多枝晶生长过程。结果表明,在纯扩散条件下,枝晶表现出明显的六方异性,各方向均衡生长;在强制对流作用下,流体逆流侧3个方向的枝晶臂明显比流体顺流侧3个方向的枝晶臂生长快,各枝晶臂长度存在很大差异。在多晶粒生长初期,各晶粒独立生长,为规则正六边形;随着凝固的进行,正六边形晶粒逐渐发展成枝晶,相向生长的枝晶臂互相影响并竞争生长,不同枝晶的一次枝晶臂彼此抑制,最终形成不对称枝晶形貌。模拟结果与实际枝晶形貌接近。对σ=σ0[1+εkcos（kθ）]形式的界面能各向异性函数进行修正,建立了修正的相场模型,在对纯扩散情况下Si枝晶生长形貌进行模拟研究并与实验结果对比的基础上,以Ni-Cu合金为例,对纯扩散和强制对流作用下的高界面能各向异性二元合金枝晶生长行为进行预测。结果表明,在高界面能各向异性纯Si枝晶生长中,部分晶向角方向的生长消失,一次枝晶和二次枝晶尖端出现棱角,从而都具有典型的棱角特征,模拟结果与实验结果相符合。在高界面能各向异性Ni-Cu合金枝晶生长中,当界面能各向异性强度ε4<1/15时,随着ε4增加,枝晶尖端速度增大,且在接近1/15处达到最大值;当ε4=1/15时,枝晶尖端速度下降4.34%;进一步增加ε4时,枝晶尖端速度先增到极大值后逐渐减小。引入界面动力学各向异性后,界面仅存在界面动力学各向异性δ时,固相以类矩形方式沿<110>方向生长;界面同时存在δ、ε4和仅存在ε4时,固相以枝晶方式沿<100>方向生长。在流速为6.43 m/s的强制对流作用下,枝晶的逆流侧受过冷熔体冲刷,逆流枝晶臂生长迅速,与纯扩散时相比稳态生长速度增加12.61%;热量和溶质在顺流侧聚集,顺流枝晶臂生长缓慢,与纯扩散时相比稳态生长速度减小14.62%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 微观组织数值模拟方法
• 1.2.1 确定性模拟方法
• 1.2.2 随机性模拟方法
• 1.2.3 相场法及其特点
• 1.3 相场法的研究现状
• 1.3.1 纯物质自由枝晶生长
• 1.3.2 二元合金自由枝晶生长
• 1.3.3 多元合金自由枝晶生长
• 1.3.4 单相合金定向凝固枝晶生长
• 1.3.5 共晶生长
• 1.3.6 相场法在其它方面的应用
• 1.4 对流影响凝固微观组织研究现状
• 1.4.1 PF-NS 和PF-LBM 模型
• 1.4.2 CA-NS 和CA-LBM 模型
• 1.5 高界面能各向异性凝固组织演化研究现状
• 1.6 本论文的研究工作
• 第2章 凝固理论基础及相场模型
• 2.1 微观组织形成的理论基础
• 2.1.1 液态金属形核理论
• 2.1.2 晶体长大理论
• 2.2 经典枝晶生长理论
• 2.2.1 依万佐夫理论
• 2.2.2 临界稳定性理论
• 2.2.3 微观可解性理论
• 2.3 相场模型基础
• 2.3.1 相场法原理
• 2.3.2 相场模型建立方法
• 2.4 相场模型的建立
• 2.4.1 纯物质相场模型
• 2.4.2 二元合金相场模型
• 2.4.3 多晶粒相场模型
• 2.4.4 耦合流场相场模型
• 2.4.5 扰动的引入
• 2.5 小结
• 第3章 相场模型的数值求解及后处理
• 3.1 数值计算方法
• 3.1.1 有限差分法
• 3.1.2 有限元法
• 3.1.3 有限体积法
• 3.1.4 边界单元法
• 3.2 纯扩散情况下相场模型数值求解
• 3.2.1 相场控制方程的离散
• 3.2.2 温度场控制方程的离散
• 3.2.3 溶质场控制方程的离散
• 3.2.4 方程求解的稳定性条件
• 3.2.5 初始条件和边界条件
• 3.3 强制对流作用下相场模型数值求解
• 3.3.1 温度场控制方程的离散
• 3.3.2 溶质场控制方程的离散
• 3.3.3 动量守恒方程的离散
• 3.3.4 方程求解的稳定性条件
• 3.3.5 初始条件和边界条件
• 3.4 材料的物性参数
• 3.5 程序编制
• 3.6 计算结果后处理
• 3.6.1 枝晶尖端数据计算
• 3.6.2 模拟结果可视化
• 3.7 小结
• 第4章 强制对流作用下纯物质枝晶生长的相场法研究
• 4.1 有无强制对流作用下纯物质枝晶生长
• 4.1.1 纯扩散时枝晶生长演化过程
• 4.1.2 强制对流作用下枝晶生长演化过程
• 4.1.3 强制对流作用下参数对枝晶生长的影响
• 4.2 纯物质单枝晶与多枝晶生长比较
• 4.2.1 纯扩散时单枝晶和多枝晶生长
• 4.2.2 强制对流时单枝晶和多枝晶生长
• 4.3 有无强制对流作用下纯物质多枝晶生长
• 4.3.1 纯扩散时多枝晶生长演化过程
• 4.3.2 强制对流作用下多枝晶生长演化过程
• 4.4 相场计算结果与实验结果比较
• 4.5 小结
• 第5章 强制对流作用下立方晶系合金枝晶生长的相场法研究
• 5.1 强制对流作用下Ni-Cu 合金枝晶生长
• 5.1.1 有无强制对流时枝晶生长形貌
• 5.1.2 有无强制对流时枝晶生长溶质分布
• 5.1.3 强制对流对枝晶尖端生长行为的影响
• 5.2 噪声扰动对强制对流作用下枝晶生长的影响
• 5.3 噪声扰动和强制对流作用下参数对枝晶生长的影响
• 5.3.1 流速对枝晶生长的影响
• 5.3.2 过冷度对枝晶生长的影响
• 5.3.3 扰动强度对枝晶生长的影响
• 5.4 强制对流作用下Ni-Cu 合金多枝晶生长
• 5.5 噪声扰动和强制对流作用下Ni-Cu 合金多枝晶生长
• 5.6 相场计算结果与实验结果比较
• 5.7 小结
• 第6章 强制对流作用下六方晶系合金枝晶生长的相场法研究
• 6.1 强制对流作用下Mg 合金枝晶生长
• 6.1.1 有无强制对流时枝晶生长形貌
• 6.1.2 有无强制对流时枝晶生长溶质分布
• 6.1.3 强制对流对枝晶尖端生长行为的影响
• 6.2 强制对流作用下Mg 合金多枝晶生长
• 6.3 模拟结果与实验结果对比
• 6.4 小结
• 第7章 强制对流作用下高界面能各向异性枝晶生长的相场法研究
• 7.1 各向异性界面能的修正处理
• 7.1.1 晶向缺失现象
• 7.1.2 晶体形态图解方法
• 7.1.3 各向异性函数的修正
• 7.1.4 晶体平衡形态
• 7.1.5 高界面能各向异性相场方程
• 7.2 高界面能各向异性纯物质枝晶生长
• 7.2.1 高界面能各向异性纯物质相场模型与参数确定
• 7.2.2 模拟结果与分析
• 7.3 高界面能各向异性二元合金枝晶生长
• 7.3.1 高界面能各向异性二元合金相场模型与参数确定
• 7.3.2 高界面能各向异性枝晶生长
• 7.3.3 界面能各向异性强度对枝晶生长的影响
• 7.3.4 过冷度对枝晶生长的影响
• 7.4 高界面能和界面动力学各向异性二元合金枝晶生长
• 7.4.1 高各向异性二元合金相场模型
• 7.4.2 高各向异性枝晶生长形貌
• 7.4.3 高各向异性枝晶生长溶质分布
• 7.4.4 高各向异性枝晶生长温度分布
• 7.4.5 高各向异性枝晶尖端生长行为
• 7.5 强制对流对高界面能各向异性枝晶生长的影响
• 7.5.1 强制对流作用下高界面能各向异性枝晶生长相场模型
• 7.5.2 有无强制对流时高界面能各向异性枝晶生长形貌
• 7.5.3 有无强制对流时高界面能各向异性枝晶生长溶质分布
• 7.5.4 强制对流对高界面能各向异性枝晶尖端生长行为的影响
• 7.6 小结
• 结论与展望
• 1 研究结论
• 2 研究展望
• 本文的创新点
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录