Al-Ti-B细化工业纯铝凝固组织演变过程数值模拟

采用耦合群体动力学方法与元胞自动机方法建立了细化处理条件下铝合金凝固微观组织演变的数值模型.该模型考虑了a-Al的非均匀形核过程、晶粒的初始球形长大以及之后的枝晶生长过程.利用建立的模型模拟了Al-5Ti-1B中间合金细化工业纯铝凝固组织演变过程.结果表明:形核初始阶段,熔体中存在充足数量的有效形核粒子, a-Al形核率随着熔体过冷度的增大逐渐增高;形核开始不久后, a-Al的异质形核过程由熔体中有效形核粒子数量控制,直到再辉发生,形核停止.模拟分析了中间合金添加量以及熔体冷却速度对工业纯铝凝固组织演变过程的影响,模拟结果与实验结果相符,验证了模型的准确性.     

镍基合金激光熔覆数值模拟及凝固参数预测

本文采用有限体积法对激光熔覆过程的温度场分布和熔体流动进行了数值模拟.基于CALPHAD相图法计算了基体和粉末的热物理性质,采用三维热源精确预测了凝固过程和温度分布,研究了Marangoni对流对熔池尺寸的影响.在熔池凝固过程中模拟所得出的温度梯度和凝固速度,预测了熔覆层凝固组织的演变趋势,相应的显微组织与实验结果吻合...     

带嵌件型腔内熔接过程的数值模拟研究

基于充模过程的两相黏弹性流体模型, 采用同位网格有限体积法, 结合浸入边界法和界面追踪的复合水平集流体体积方法实现了带嵌件型腔内充模过程的动态模拟. 基于上述模型和算法模拟了熔体前沿界面及熔接线的动态演化过程, 而且通过线性应力-光学定律得到了熔接线附近的流动诱导应力分布情况; 讨论了熔体温度及模具温度对熔接线区域凝固层厚度的影响. 数值结果表明: 本文提出的方法可用于模拟复杂型腔内的充模过程以及熔接线的自动追踪; 由于聚合物黏弹性熔体流动的复杂性, 当两股熔体相遇后, 熔接线不同位置的应力分布变化较大; 熔体或模具温度越高, 熔接线区域凝固层厚度越薄, 提高熔体或模具温度能够改善甚至消除充模过程中的熔接线.     

Al-Mg合金熔体快速凝固过程中微观结构演化机理的模拟研究

采用分子动力学方法对Al₅₀Mg₅₀合金熔体的快速凝固过程进行了模拟,并采用双体分布函数、键型指数法和原子团类型指数法等方法,从微观结的不同层面对Al-Mg合金熔体快速凝固过程中微观结构的演化机理进行了深入的分析研究.结果表明：本模拟所获得的Faber-Ziman偏结构因子与实验结果符合较好.Al₅₀Mg₅₀合金熔体具有遗传性,在快速凝固过程形成了非晶态结构,其中二十面体短程序结构对非晶态结构的形成起决定性作用.基于原 关键词： Al-Mg合金熔体 快速凝固过程 分子动力学模拟 微观结构     

熔体初始温度对液态金属Na凝固过程中微观结构影响的模拟研究

采用分子动力学方法对熔体初始温度热历史条件对液态金属Na凝固过程中微观结构的影响，进行了模拟研究，并采用双体分布函数g(r)曲线、键型指数法和原子团类型指数法对凝固过程中的微观结构进行了分析.结果表明：液态金属Na在不同熔体初始温度条件下以1×10¹¹K/s冷速凝固时，均形成晶化结构，其中1661和1441键型或体心立方基本原子团(14 6 0 8)在凝固过程中对微观结构的转变起决定性作用.同时发现：熔体初始温度对凝固微结构有显著影响，而对液态和过冷态的微观结构影响并不明显，只有在晶化起始温度T_c附近才充分地展现出来.不同熔体初始温度对凝固结构的晶化程度有不同的影响，虽其影响程度是随着熔体初始温度的下降呈非线性变化关系的，但仍表明是可以通过改变熔体初始温度来加以控制的.原子团类型指数法(比键型指数法)更进一步表征了晶化体系中原子团的结构特征，将有利于对液态金属凝固过程中微观结构的转变机理进行更为深入的研究.     

Ni熔体凝固过程中临界晶核和亚临界晶核的分子动力学模拟

本文用分子动力学模拟研究了Ni熔体以不同冷速凝固后微观结构的演变规律, 并通过理论计算确定出了Ni熔体凝固后获得理想非晶的临界条件. 模拟结果发现冷速小于10¹¹ K/s时, Ni 熔体凝固后形成晶态组织; 冷速在10¹¹ K/s到10^14.5 K/s之间时, Ni熔体凝固后形成由晶态结构与非晶态结构组成的混合组织. 冷速小于10¹⁰ K/s, Ni 熔体凝固后形成的晶态组织具有fcc结构; 冷速在10¹⁰ K/s到10^14.5 K/s之间时, Ni熔体凝固后组织中的晶态由fcc和hcp结构层状镶嵌排列构成. 通过分析模拟结果和计算结果, 确定出了Ni熔体凝固后形成理想非晶的临界冷速为10^14.5 K/s. 并发现Ni熔体中临界晶核(冷速等于10^14.5 K/s)和亚临界晶核(冷速大于10^14.5 K/s) 均由fcc和hcp组成层状偏聚结构, 这表明Ni熔体中生长的晶体、临界晶核和晶胚的结构是相同的. 关键词： 分子动力学模拟 晶体团簇 临界冷速 结构     

轴向磁场对分离结晶熔体中热毛细对流的影响

为了了解磁场对分离结晶过程中熔体内热毛细对流的影响,利用有限差分法进行了数值模拟.假定熔体为不可压缩流体,熔体深径比为1,自由表面无因次宽度为0.1,研究了哈特曼数分别为0、25,50和75时的碲锌镉晶体生长过程.结果表明:轴向磁场能够抑制熔体内部的流动,并随磁场强度的增加,抑制作用增强.     

复杂型腔充模过程中分子构型演化的数值模拟

基于充模过程的两相黏弹性流体模型,采用有限体积、浸入边界和复合水平集流体体积方法,数值模拟了聚合熔体在复杂型腔中的充模过程.首先,借助一类特殊函数(R-functions)将基于基本几何体的水平集函数组合成描述复杂型腔的形状水平集函数.然后,采用浸入边界法处理复杂型腔问题,有限体积方法求解熔体控制方程,利用复合水平集流体体积方法对熔体前沿界面进行隐式追踪.基于有限伸展非线性弹性哑铃本构方程模型,计算熔体分子构型张量,通过取向椭圆描述分子的取向及拉伸行为,实现了充模过程中分子构型的可视化.最后,对带有两个圆形嵌件的环状型腔内的充模过程进行数值模拟研究,得到了充模过程中型腔内的温度、应力及分子构型的变化情况,并重点分析了充模速度、熔体温度和模具温度等对分子构型的影响.数值结果表明:本文提出的耦合模型可以成功模拟复杂型腔内充模过程中的温度、应力和分子取向等物理量的动态变化;适当提高注射速度可以增大熔接痕的强度;提升熔体温度和模具温度,可以有效改善甚至消除熔接痕.     

金属凝固与晶体生长过程的蒙特卡罗模拟

采用导热的有限差分计算与图形蒙特卡罗方法相结合的手段,模拟了不同的冷却条件,熔体初温以及杂质含量情况下的金属凝固及其晶体生长过程。模拟得了与典型的边界冷却凝固实验相一致的微观组织结构,同时,通过对模拟结果的分析,总结了不同的冷却条件、熔体初温以及含杂质情况对金属凝固组织的一些影响规律。     

聚合物充模过程的基于高阶Taylor展开的改进光滑粒子动力学模拟

基于高阶Taylor展开提出一种改进的光滑粒子流体动力学(CSPH_HT)方法,并试探性地应用于涉及界面变形的黏弹性聚合物熔体充模过程的模拟.首先,针对传统光滑粒子流体动力学(SPH)方法和已有改进SPH方法的缺点,基于高阶Taylor展开,建立了一种新的改进SPH格式.然后通过基准算例验证了新的改进SPH方法的优势.最后,运用改进SPH方法模拟了环形腔和方形腔内的聚合物熔体充模过程,展示了XPP熔体和FENE-P熔体充模过程中界面演化的不同之处,分析了型腔参数对流动的影响.数值结果表明:CSPH_HT方法具有较高的数值精度和较好的数值稳定性,XPP(extended pom-pom)熔体和有限拉伸非线性弹簧(FENE-P)熔体具有不同的流动特性,型腔参数的微小变化能够对流动造成很大影响.     

外加磁场下铁的形核机理

本文采用直接冷却和两相模拟两种分子动力学方法,研究了外加磁场液态铁凝固过程的影响并将结果与无外加磁场的计算结果进行对比. 外加磁场对凝固过程的影响主要体现在临界温度、能量和径向分布函数. 计算结果表明,铁液的凝固相变过程主要是发生在1500∽1600 K的温度范围;在外加磁场作用下,液态铁的凝固点有明显减小的趋势. 通过对扩散系数和粘度的进一步分析,在外加磁场的存在下,体系的扩散系数增大而粘度减小,研究显示外磁场驱动的铁液原子涨落较强导致凝固点的降低.     

液体材料超声处理过程中声场和流场的分布规律研究

针对合金熔体等液体材料的超声处理过程,选取水作为透明模型材料,采用数值模拟计算和示踪粒子实验方法,研究了20和490 kHz两种频率超声作用下水中的声场和流场分布.结果表明,增大变幅杆半径能够提高水中声压水平,扩大空化效应的发生区域.当超声频率为20 kHz时,水中声压最大值出现在超声变幅杆下端面处,且声压沿传播距离的增大而显著减小.如果超声频率增加至490 kHz,水中的声压级相比于20 kHz时明显提高,且声压沿着超声传播方向呈现出周期性振荡特征.两种频率超声作用下水中的流场呈现相似的分布特征,且平均流速均随着变幅杆半径增大表现出先升高后降低的趋势.变幅杆半径相同时,20 kHz频率超声作用下水中的平均流速高于490 kHz频率超声.采用示踪粒子图像测速技术实时观察和测定了水中的流速分布,发现其与计算结果基本一致.     

Laser shadowgraph and schlieren studies of gravity-related flow during solidification

Shadowgraph and schlieren techniques were used to observe gravity-related flow arising during solidification. The purpose of these studies was to elucidate the results of previous low gravity solidification experiments. Shadowgraph and schlieren techniques were selected as most suitable for operation in the anticipated experimental environment. A laser shadowgraph/schlieren system was built and flown on KC-135 low gravity simulation flights. A solution of ammonium chloride and water was cooled during the experiment, causing solidification. Growth plumes in the solution were observed and photographed using shadowgraph and schlieren techniques. Results are presented and related to previous work.     

Phase field simulation of the columnar dendritic growth and microsegregation in a binary alloy

This paper applies a phase field model for polycrystalline solidification in binary alloys to simulate the formation and growth of the columnar dendritic array under the isothermal and constant cooling conditions. The solidification process and microsegregation in the mushy zone are analysed in detail. It is shown that under the isothermal condition solidification will stop after the formation of the mushy zone, but dendritic coarsening will progress continuously, which results in the decrease of the total interface area. Under the constant cooling condition the mushy zone will solidify and coarsen simultaneously. For the constant cooling solidification, microsegregation predicted by a modified Brody- Flemings model is compared with the simulation results. It is found that the Fourier number which characterizes microsegregation is different for regions with different microstructures. Dendritic coarsening and the larger area of interface should account for the enhanced Fourier number in the region with well developed second dendritic arms.     

用元胞自动机方法模拟镁合金薄带双辊铸轧过程凝固组织

用元胞自动机方法模拟铸轧凝固组织,采用有限元方法模拟铸轧过程中熔池内部的宏观传输现象,将二者耦合模拟了镁合金铸轧薄带凝固过程中晶粒的形核与长大过程.阐明了薄带铸轧工艺过程中的主要工艺参数（浇注温度、铸轧速度等）对镁合金薄带凝固组织中晶粒大小、取向等的影响规律.这为通过工艺优化来控制铸轧薄带的凝固组织提供了理论依据. 关键词： 双辊铸轧 镁合金 凝固组织 元胞自动机     

二元合金凝固过程微尺度热质传输的影响分析

针对二元合金凝固的微观偏析现象建立一维平面枝晶模型,考虑溶质在固相中有限扩散,液相完全扩散的情况。通过模拟计算,比较分析了Al-Cu和Fe-C合金微观偏析的特点,并讨论了不同凝固速度以及溶质扩散系数随温度变化与否对微观偏析的影响。分析结果表明,温度场的影响是不可忽略的,应该在研究中予以考虑。     

ＣＲＥＭ法半连铸Ａｌ合金过程中电磁场对溶质元素固溶的影响机理

实验研究了低频交变电磁场作用下， 7075合金半连铸坯微观组织形貌及各溶质元素的固溶 情况；并就电磁场对液固相线位置和结晶间隔的改变进行了测定；此外还数值模拟了电磁场 对半连铸过程中液穴内部温度场和流动场的影响.从电磁场对7075合金凝固过程中的溶质分 配系数，结晶间隔，液穴内部温度场、流动场以及微观组织形貌的影响出发，尝试性地对电 磁场的强制固溶机理进行探讨性的解释和说明. 关键词： 电磁场 半连铸 铝合金 固溶     

Numerical simulation of transient temperature field during laser keyhole welding of 304 stainless steel sheet

A three-dimensional transient numerical model was developed to study the temperature field and molten pool shape during continuous laser keyhole welding. The volume-of-fluid (VOF) method was employed to track free surfaces. Melting and evaporation enthalpy, recoil pressure, surface tension, and energy loss due to evaporating materials were considered in this model. The enthalpy-porosity technique was employed to account for the latent heat during melting and solidification. Temperature fields and weld pool shape were calculated using FLUENT software. The calculated weld dimensions agreed reasonable well with the experimental results. The effectiveness of the developed computational procedure had been confirmed.     

Numerical study of semi-molten droplet impingement

Due to the low thermal conductivity of ceramics large temperature gradients are present through the powder particles during plasma spray deposition. As a result the particles often impinge at the substrate in a semi-molten form; which in turn substantially affects the final characteristics of the coating being formed. This study is dedicated to the novel modelling development and simulation of a semi-molten droplet impingement. The study examines the impingement process during impact, spreading and solidification of semi-molten zirconia. The simulation provides an insight to the heat transfer process during impact and solidification of a semi-molten powder particle and illustrates the freezing-induced break-up mechanism at the splat periphery.     

Microstructural properties and evolution of nanoclusters in liquid Si during a rapid cooling process

The formation of amorphous structures in Si during the rapid quenching process was studied based on molecular dynamics simulation by using the Stillinger–Weber potential. The evolution characteristics of nanoclusters during the solidification were analyzed by several structural analysis methods. The amorphous Si has been formed with many tetrahedral clusters and few nanoclusters. During the solidification, tetrahedral polyhedrons affect the local structures by their different positions and connection modes. The main kinds of polyhedrons randomly linked with one another to form an amorphous network structures in the system. The structural evolution of crystal nanocluster demonstrates that the nanocluster has difficulty to growth because of the high cooling rate of 10¹² K/s.