晶体取向对定向凝固平界面失稳行为的影响

采用丁二腈-丙酮透明模型合金研究了不同晶体取向的晶粒在定向凝固条件下的平界面失稳过程.实验选择了三个界面失稳后具有不同生长形态的典型晶粒作为研究对象, 分别为择优生长枝晶、倾斜枝晶和海藻晶.结果表明可发展为择优生长枝晶的晶粒的平界面失稳孕育时间和初始扰动波长最小,海藻晶次之, 倾斜枝晶最大,这与以往的解析结果和相场模拟结果一致. 同时,实验观察发现可发展为择优生长枝晶和倾斜枝晶的晶粒的界面非稳态演化过程与海藻晶显著不同,这表明平界面失稳的非稳态演化过程与晶体取向相关.     

界面能各向异性对定向凝固枝晶生长的影响

采用元胞自动机 (cellular automaton, CA) 模型研究了界面能各向异性对二维定向凝固枝晶生长的影响. 模拟结果显示当晶体的择优生长方向与热流方向一致时, 随着界面能各向异性强度的增大, 凝固组织形态由弱界面能各向异性时的海藻晶转变为强界面能各向异性时的树枝晶. 同时, 界面能各向异性强度会影响稳态枝晶尖端状态的选择, 界面能各向异性越强, 定向凝固稳态枝晶尖端半径越小, 尖端界面前沿的液相浓度和过冷度越小. 稳态枝晶生长的尖端状态选择参数与界面能各向异性强度也存在标度律的指数关系, 而枝晶一次间距则受界面能各向异性强度影响较弱. 当晶体的择优生长方向与热流方向呈-40°夹角时随着界面能各向异性强度的增大, 凝固组织形态由海藻晶逐渐转变为退化枝晶, 后又逐渐转变为倾斜枝晶. 关键词： 元胞自动机 枝晶 界面能各向异性     

切向流动作用下SCN-3wt% H2O枝晶定向生长过程研究

实时观察了切向流动作用下SCN-3wt% H₂O合金的定向凝固过程,研究了该合金枝晶生长方向、尖端半径、枝晶一次臂间距以及二次臂生长速度的变化规律.实验观察到能够代表枝晶尖端溶质边界层的“亮带”,该亮带在流动作用下的非对称性证实了切向流动能够改变枝晶前沿溶质的对称分布,使溶质边界层厚度沿背流侧向迎流侧逐渐减薄,枝晶生长发生迎流偏转,且偏转角度随抽拉速度的提高而减小.同时,流场与浓度场的耦合促进枝晶间的优胜劣汰,枝晶一次臂间距显著增大.固液界面处的强迫流动还能够引发相邻枝晶间环流,加速迎流处二次臂生长而抑制背流处生长. 关键词： 定向凝固 枝晶生长 切向流动     

液相对流对定向凝固胞/枝晶间距的影响

采用类金属透明模型合金丁二腈-1.8 wt%丙酮(SCN-1.8 wt%Ace)合金, 研究了平行于生长界面前沿的液相对流对定向凝固胞/枝晶生长行为及胞/枝晶间距的影响. 对于胞晶生长, 在液相对流作用下, 其尖端将会出现分岔, 使得胞晶间距减小, 并且液相对流流速越大, 胞晶尖端分岔越明显, 胞晶组织越细小, 胞晶间距越小. 至于枝晶生长, 其生长行为与胞晶不同. 当抽拉速度较小时, 液相对流作用下枝晶两侧三次臂的生长速度将会超过枝晶尖端生长速度, 形成新的枝晶列, 使得枝晶一次间距减小, 并且液相对流流速越大枝晶一次间距越小; 当抽拉速度较大时, 液相对流作用下迎流侧二次臂生长发达,且会抑制上游枝晶生长, 使得枝晶一次间距增大, 并且液相对流越强枝晶一次间距越大. 关键词： 定向凝固 胞晶间距 枝晶间距 液相对流     

Ti-45at.% Al合金定向凝固过程中显微组织演化的计算机模拟

采用基于溶质扩散控制模型CA方法对Ti-45at.% Al合金定向凝固过程中显微组织演化过程进行了数值模拟.模拟结果表明,在温度梯度较高时,初生晶核间距无论大小,均可通过分枝或竞争生长而使一次胞晶/枝晶间距得到调整.在抽拉速度一定情况下,随着温度梯度增加,胞晶/枝晶间距减小,在温度梯度一定情况下,随着抽拉速度增大,观察到胞晶/枝晶混合结构,混合结构区随温度梯增大而增大,模拟结果与实验观察相符合. 关键词： Ti-45at.% Al合金 定向凝固 组织演化 数值模拟     

宏微观耦合模拟熔池不同区域中枝晶竞争生长过程

针对熔化焊过程建立了宏微观耦合模型,模拟了熔池内不同区域凝固过程中随机取向枝晶的竞争生长过程. 通过宏观三维有限元模型计算熔池中瞬态的传热传质过程,利用双线性插值算法将凝固参数传递给微观组织模型. 采用元胞自动机法模拟随机取向的枝晶在熔池凝固条件下的竞争生长过程. 模拟结果表明,所建立的微观模型能够精确模拟任意生长取向的枝晶. 凝固条件中最大温度梯度方向对枝晶竞争过程有明显选择作用,生长方向与最大温度梯度方向相同或接近的枝晶在竞争中具有更大优势. 焊缝中的晶粒组织由枝晶簇发展形成,晶粒组织的形貌演变取决于相邻枝晶簇之间的竞争过程,具有择优取向的枝晶簇会逐渐排挤非择优取向的枝晶簇并最终将其阻挡在凝固组织内部,宏观晶粒的取向与其内部枝晶簇的生长方向并不一定相同. 熔池中心线附近区域在焊接过程中具有更小的温度梯度、更大的凝固速率以及更大的局部冷却速率,凝固后可以获得更加细小的焊缝枝晶组织. 枝晶间距的模拟结果与相应凝固条件下的试验数据符合较好. 关键词： 焊接熔池 枝晶形貌 竞争生长 元胞自动机     

抽拉速度对SCN-DC共晶生长形貌的影响

本文采用类金属透明模型合金丁二腈-23.6 wt%樟脑 (SCN-23.6 wt%DC) 合金, 研究了棒状共晶定向凝固组织的演化行为, 考察了抽拉速度对棒状共晶合金组织形貌演化的影响规律. 结果表明, 在共晶生长初期, 共晶组织首先起源于晶粒晶界或者试样盒型壁处, 随后沿液/固界面和平行于热流方向生长; 在较小的抽拉速度 (0.064–0.44 μm/s)下, 棒状共晶界面前沿呈现平界面形态, 内部两相棒状组织平行生长, 并且随着抽拉速度的增大,棒状共晶逐渐细化, 棒状间距减小; 而在较大的抽拉速度 (0.67–1.56 μm/s)下, 共晶界面前沿呈现胞状生长形貌, 胞内的棒状共晶呈放射状生长, 同样, 随着抽拉速度的增大, 胞内棒状共晶逐渐细化, 棒状间距减小. 关键词： 定向凝固 共晶形貌 抽拉速度 共晶间距     

二元合金高速定向凝固过程的相场法数值模拟

利用相场法对二元合金高速定向凝固过程进行了模拟，为简化计算，采用了温度冻结近似.模拟了定向凝固时平界面失稳、界面形态演化、溶质浓度分布以及高速绝对稳定性条件下胞晶向平面晶的转变等，得到了不同抽拉速度下胞晶间距、胞晶尖端温度以及有效溶质分配系数等参数，显示了高速生长条件下的溶质截留效应. 关键词： 定向凝固 相场法 高速绝对稳定性 溶质截留     

聚乙烯醇水溶液二维定向凝固的微观组织演化

为了深入探究定向多孔聚合物材料的微观组织形成机理,利用定向凝固原位实时观察手段,研究不同浓度及不同分子量聚乙烯醇(PVA)水溶液在不同抽拉速度下的定向凝固形貌演化.PVA水溶液的定向凝固形态在低浓度(1 wt%,2.5 wt%)和小分子量(M_w=24000)情况下,一次枝晶间距随着抽拉速度的增加而减小.随着PVA浓度和分子量的增加,一次枝晶间距随抽拉速度变化不明显,枝晶主轴尺寸则随速度增加呈现减小的趋势.与传统凝固形态形成机理相比,PVA水溶液的凝固形态由PVA分子的扩散引起的凝固界面不稳定性机理和PVA高分子链交联引起的局部相分离机理竞争决定.     

凝固界面形态演化的实验研究

本文采用典型的透明模型合金丁二腈-1.1wt%乙醇进行定向凝固实验,对从平界面失去稳定性到建立起新的稳定的界面形态之间时间相关的形态演化过程进行了详细的直接观察研究。发现:1)平界面失稳初始扰动波长在Mullins-Sekerka(缩写为MS)稳定性理论所预言的波长范围内,但与理论预言的振幅发展最快的波长不一致;2)平界面失稳初期,扰动振幅发展速率确实是振幅的线性函数,但在具体数值上实测值比理论值小得多;3)胞晶和枝晶形态演化过程具有不同的特征,导致这种差别的主要原因是稳态一次间距与初始扰动波长之间相对尺 关键词：     

Orientation evolution of single-crystal superalloys under different solidification interface

The single-crystal superalloys with different deviation angle are prepared by using the liquid metal cooling high-temperature gradient directional solidification furnace, and the orientation evolution of single-crystal superalloys under different solidification interface is studied. The results indicate that the increase of the deviation angle will make the planar interface unstable. With the increase of the solidification rate, the growth direction of the crystal will deviate from the direction of heat flow to the preferred orientation direction. Under the developed dendrite crystal growth, the branches of the dendrite will follow the preferred orientation, nearly free from the effect of the heat flow.     

What happens to the initial planar instability when the thermal gradient is increased during directional solidification？

The positive thermal gradient is one of the most important parameters during directional solidification. The increase of the thermal gradient usually stabilizes the planar interface in the steady state analysis. However, in the initial transient range of planar instability, the thermal gradient presents complicated effects. Time-dependent analysis shows that the increase of the thermal gradient can enhance both the stabilizing effects and the destabilizing effects on a planar interface. The incubation time first decreases and then increases with the increase of the thermal gradient. Moreover, the initial average wavelength always increases with the thermal gradient increasing, contrary to the effect of the thermal gradient on the steady cellular/dendritic spacing. This reveals the types of spacing adjustment after planar instability.     

基于改进元胞自动机模型的三元合金枝晶生长的数值模拟

在二元合金元胞自动机模型的基础上,通过耦合多元合金热力学相平衡求解器PanEngine, 建立了三元合金改进的元胞自动机模型,可模拟初生相枝晶的生长过程. 模型考虑了曲率过冷和成分过冷对界面平衡溶质成分的影响,通过不同组元的无量纲溶质过饱和度方程和界面溶质守恒方程之间的耦合来求解界面生长速率,并通过PanEngine计算界面处的液相线温度. 采用本模型模拟了Al-7%Si-xMg三元合金自由枝晶的生长形态, 结果表明Mg含量的增加会抑制枝晶一次臂的生长和二次臂的产生.同时模拟了不同抽拉速度下 Al-7%Si-0.5%Mg合金柱状枝晶的竞争生长过程,随着抽拉速度的增大,柱状枝晶一次枝晶臂间距逐渐减小, 与Hunt理论模型符合较好.     

单相合金凝固过程时间相关的界面稳定性(Ⅱ)实验对比

采用典型的透明模型合金，即丁二腈-1．5at％水杨酸苯酯(SCN-1．5at％Salol)合金，对界面前沿溶质扩散边界层和界面稳定性进行了实时观测，并结合丁二腈-1．1wt％乙醇(SCN-1.1wt％Eth)、丁二腈0.43wt％氧杂萘邻酮152(SCN-0.43wt％C152)的实验结果，对纯扩散和存在对流情况下的定向凝固界面形态稳定性进行了系统的分析.发现以往所进行的界面稳定性分析能够准确描述实验中所观测到的界面失稳的时间相关特性，并发现界面失稳演化存在两个时间结点，即界面失稳孕育时间和平胞转变孕育时间，所获得的时间相关解能够准确预测实验中观测到的平胞转变孕育时间，而对流效应则明显缩短了界面失稳和平胞转变的孕育时间.实验中获得的单位扰动振幅发展速率比稳态理论预言值小了将近一个数量级，而与时间相关解较为接近. 关键词： 界面稳定性 凝固 扩散 对流     

Seaweed to dendrite transition in directional solidification

We simulate directional solidification using a phase-field model solved with adaptive mesh refinement. For small surface tension anisotropy directed at 45 degrees relative to the pulling direction we observe a crossover from a seaweed to a dendritic morphology as the thermal gradient is lowered, consistent with recent experimental findings. We show that the morphology of crystal structures can be unambiguously characterized through the local interface velocity distribution. We derive semiempirically an estimate for the crossover from seaweed to dendrite as a function of thermal gradient and pulling speed.