采用元胞自动机法模拟二元规则共晶生长

基于元胞自动机方法,建立了二元规则共晶生长的数值模拟模型.该模型耦合宏观温度场,考虑了溶质扩散、成分过冷以及曲率过冷等重要因素,实现了二元规则共晶的稳态层片生长.以共晶模型合金为对象,研究了定向凝固条件下不同过冷度、初始层片间距、温度梯度及凝固速率对共晶两相生长形貌及层片间距的影响,再现了两相在溶质扩散及界面能的相互作用下通过形核、分岔、湮没及合并等机理实现共晶层片间距的调整.模拟得到的结果与Jackson-Hunt模型及前人实验结果规律一致.将模型扩展到三维系统,验证了二元规则共晶生长三维模拟的可行性. 关键词： 规则共晶 生长形貌 层片间距 CA方法     

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     

共晶形态层—棒转变的多相场法研究

利用KKSO多相场模型研究了不同抽拉速度及不同液相溶质扩散系数条件下共晶形态层—棒状转变过程. 模拟结果表明：在抽拉速度较低时,层片共晶首先发生合并现象,然后继续以层片形态生长;增大抽拉速度,发生层片合并后共晶形态由层片向棒状转变;进一步增大抽拉速度,层片不发生合并,仅以初始层片间距进行稳态层片生长. 溶质扩散系数条件的改变同样会导致共晶形态发生层—棒状转变,结果还表明层—棒转变仅在一定参数范围内发生. 模拟结果与实验研究定性符合. 关键词： 层—棒转变 多相场 数值模拟     

微重力条件下Cu-Zr共晶合金的液固相变研究

采用落管方法实现了液态Cu-10 wt.%Zr亚共晶、Cu-12.27 wt.%Zr共晶和Cu-15 wt.%Zr过共晶合金在微重力无容器条件下的快速共晶与枝晶生长.Cu-12.27 wt.%Zr共晶合金的凝固组织随液滴直径减小由层片规则共晶向不规则共晶转变,且层片间距减小;Cu-10 wt.%Zr亚共晶合金的初生(Cu)相随液滴直径减小由粗大树枝晶向棒状晶转变,且所占体积分数增加,部分区域形成花状凝固组织,(Cu)相枝晶辐射向外生长;Cu-15 wt.%Zr过共晶合金初生相则为金属间化合物Cu_9Zr_2相,呈条状生长,随液滴直径减小冷却速率增大,凝固组织由宏观弯曲生长向球状晶胞转变.理论计算表明,三个合金液固相变枝晶与共晶的生长均由溶质扩散控制.测定Cu-10 wt.%Zr亚共晶合金初生(Cu)相显微硬度随液滴直径减小而增大,三个合金的共晶相随合金初始成分增大而增大.     

单相合金凝固过程时间相关的界面稳定性(I)理论分析

对定向凝固界面前沿非稳态溶质扩散场进行了系统的对比分析，发现无论在纯扩散还是存在对流的情况下，界面前沿的溶质扩散场通常满足指数分布的形式，可以采用一个统一的公式来描述界面前沿的瞬态溶质扩散场.进而在此基础上，对定向凝固界面形态稳定性进行了统一的时间相关的非稳态分析，发现界面临界稳定性条件的数学描述形式与Mullins和Seker ka理论给出的稳态解完全一致, 只是用时间相关的浓度梯度GtC、界面速度Vi、溶质扩散长度l代替了稳态生长中所得到的GC,V，DL/V.     

三种变速条件下共晶生长的多相场法模拟

利用多相场模型模拟了共晶合金CBr₄-C₂Cl₆定向凝固变速生长过程，研究了阶跃变速、线性变速以及震荡变速三种变速条件下共晶片层间距的调整以及形态的变化.结果表明：在变速生长过程中，界面平均生长速率与平均过冷度随抽拉速率的变化均产生滞后效应；阶跃增速时，片层间距的调整通过突变分岔形式进行，而阶跃减速时，通过片层的逐步湮没与合并以及自身相的长大方式进行，两个过程表现出强烈的非对称性；线性增速过程，片层间距的调整通过逐步分岔进行，而线性减速过程 关键词： 多相场 共晶 变速生长 片层间距     

单相合金凝固过程时间相关的界面稳定性(Ⅰ)理论分析

对定向凝固界面前沿非稳态溶质扩散场进行了系统的对比分析，发现无论在纯扩散还是存在对流的情况下，界面前沿的溶质扩散场通常满足指数分布的形式，可以采用一个统一的公式来描述界面前沿的瞬态溶质扩散场．进而在此基础上，对定向凝固界面形态稳定性进行了统一的时间相关的非稳态分析，发现界面临界稳定性条件的数学描述形式与Mullins和Sekerka理论给出的稳态解完全一致，只是用时间相关的浓度梯度GC^1,界面速度Vi、溶质扩散长度l代替了稳态生长中所得到的GC，V，DL／V．     

层状共晶定向凝固

本文从理论和实验两方面研究层状共晶定向凝固。理论上将层状共晶定向凝固与胞晶列定向凝固及Hele-Shaw胞中粘性指发展进行类比,给出层状共晶稳态凝固条件下溶质扩散、热传输与界面张力效应之间的耦合系,导出λ²ν=consi标度关系。实验上考察了规则Al-Al₂Cu共晶和非规则Al-Si共晶定向凝固,证实耦合关系存在。还讨论了两种共晶凝固界面特征和热传输的影响。 关键词：     

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     

三维多相场数值模拟共晶CBr4-C2Cl6合金在不同抽拉速度下的形态选择

利用KKSO多相场模型对定向凝固共晶CBr4-C2Cl6合金的三维恒速及变速生长过程进行了研究,再现了不同抽拉速度下共晶形态演化及选择过程,建立了形态选择图,研究了变速过程的界面平均生长速度及界面平均过冷度的变化.结果表明,变速前后的形态选择与恒速下的形态选择一致;变速过程的形态演变、界面平均生长速度和界面平均过冷度的变化均产生滞后效应;界面平均生长速度和界面平均过冷度之间的关系与理论结果符合较好.     

液氮冷却条件下激光快速熔凝Ni-28 wt%Sn合金组织演变

研究了在液氮冷却条件下激光快速熔凝Ni-28 wt%Sn亚共晶合金的组织演化过程. 结果显示, 熔池从上至下可以分为三个区域: 表层为平行激光扫描方向的α-Ni转向枝晶区; 中部为近乎垂直于熔池底部外延生长的α-Ni柱状晶区; 底部为少量的残留α-Ni初生相和大量的枝晶间(α-Ni+Ni₃Sn) 共晶组织. 激光熔凝区组织受原始基材组织的影响很大, 熔池中的α-Ni枝晶生长方向受到了热流方向和枝晶择优取向的双重影响. 与基材中存在的层片状、棒状和少量离异(α-Ni+Ni₃Sn)共晶的混合组织相比, 熔池内的共晶组织皆为细小的规则(α-Ni+Ni₃Sn)层片状共晶, 皆垂直于熔池底部外延生长, 并且从熔池顶部至底部, 共晶层片间距逐渐增大. 分别应用描述快速枝晶生长的Kurz-Giovanola-Trivedi 模型和描述快速共晶生长的Trivedi-Magnin-Kurz模型对熔池表层凝固界面前沿的过冷度进行估算, 发现熔池表层α-Ni 枝晶和(α-Ni+Ni₃Sn)层片共晶的生长过冷度在50.4-112.5 K 之间, 远大于相应深过冷凝固(α-Ni+Ni₃Sn) 反常共晶生长的临界过冷度20 K, 这说明文献报道的临界过冷度并不是反常共晶出现的充分条件.     

弱熔体对流对定向凝固中棒状共晶生长的影响

利用渐近方法求出在弱对流熔体中定向凝固棒状共晶生长的浓度场的渐近解,研究了弱熔体对流对定向凝固中棒状共晶生长的影响.结果表明,弱熔体对流对定向凝固中棒状共晶生长有显著的作用;平均界面过冷度不仅与棒状共晶的棒间距、生长速度有关,还与流动强度有关;当生长速度一定时,随着流动强度增大,棒状共晶的平均界面过冷度减小.利用最小过冷原则,获得棒间距与生长速度和流动强度的关系.结果表明,当生长速度比较小时,随着流动强度增大,棒状共晶的棒间距增大;当生长速度比较大时,随着流动强度增大,棒状共晶的棒间距变化减弱;棒状共晶的生长速度越小,流动对棒状共晶生长的影响越大.利用本文的解析结果计算在对流条件下Al-Cu共晶的棒间距,结果显示随着转速增大或径向距离增大,共晶的间距增大,这与Junze等的实验结果相符合.     

微重力下Fe-Al-Nb合金液滴的快速凝固机理及其对显微硬度的影响

采用落管无容器处理技术实现了Fe_(67.5)Al_(22.8)Nb_(9.7)三元合金在微重力条件下的快速凝固,获得了直径为40—1000μm的合金液滴.实验中合金液滴的过冷度范围为50—216 K,冷却速率随着液滴直径的减小由1.23×10~3K·s~(-1)增大到5.53×10~5K·s~(-1).研究发现,Fe_(67.5)Al_(22.8)Nb_(9.7)合金液滴的凝固组织均由Nb(Fe,Al)_2相和(αFe)相组成,且随着液滴直径的减小,初生Nb(Fe,Al)_2相由树枝晶转变为等轴晶,共晶组织发生了约3倍的细化且生长特征由层片共晶向碎断共晶转变;硬质初生Nb(Fe,Al)_2相的析出有效提高了合金的显微硬度.与电磁悬浮条件下同过冷合金的凝固组织对比发现,落管条件下的合金液滴凝固组织更细化,使得合金显微硬度提高了2%—6%.     

各向异性表面张力对定向凝固中共晶生长形态稳定性的影响

研究各向异性表面张力对定向凝固中共晶生长形态稳定性的影响.应用多重变量展开法导出了共晶界面表达式和扰动振幅的变化率满足的色散关系.结果表明,共晶生长系统有两种整体不稳定性机理:由非震荡导致的"交换稳定性"机理和由震荡导致的"整体波动不稳定性"机理.震荡有四种典型模式,即:反对称-反对称(AA-),对称-反对称(SA-)、反对称-对称(AS-)和对称-对称(SS-)模式.稳定性分析表明:共晶界面形态稳定性取决于Peclet数ε的某一个临界值ε_*,当ε大于临界值ε_*时,共晶界面形态不稳定;当ε小于临界值ε_*时,共晶界面形态稳定.随着各向异性表面张力增大,对应于AA-,SA-和SS-模式的临界值ε_(aa*),ε_(sa*)和ε_(ss*)随之减小,表明各向异性表面张力减小这三种模式的稳定性区域;然而,随着各向异性表面张力增大,对应于AS-模式的临界值ε_(as*)随之增大,表明各向异性表面张力增大AS-模式的稳定性区域.     

采用多相场法研究三维层片共晶生长的厚度效应

采用Kim,Kim,Suzuki和Ode提出的KKSO多相场模型,研究了固定层片间距不同层片厚度条件下三维过共晶层片生长形态的演化行为.研究表明,层片厚度对层片生长过程有较大影响.当层片厚度较小时,厚度效应较弱,类似于二维生长.随着层片厚度的增加,厚度效应逐渐增强并开始产生厚度方向的振荡失稳,造成层片取向的偏转.层片厚度的进一步增加,使层片宽度方向和层片厚度方向的振荡交替出现.当层片厚度大于层片宽度时,厚度效应逐渐强于宽度效应,最终宽度方向的振荡被抑制,仅在厚度方向形成类似于二维的1λ振荡. 关键词： 数值模拟 多相场 三维层片生长 层片厚度     

三维多相场数值模拟共晶CBr4-C2Cl6合金在不同抽拉速度下的形态选择

利用KKSO多相场模型对定向凝固共晶CBr₄-C₂Cl₆合金的三维恒速及变速生长过程进行了研究,再现了不同抽拉速度下共晶形态演化及选择过程,建立了形态选择图,研究了变速过程的界面平均生长速度及界面平均过冷度的变化.结果表明,变速前后的形态选择与恒速下的形态选择一致;变速过程的形态演变、界面平均生长速度和界面平均过冷度的变化均产生滞后效应;界面平均生长速度和界面平均过冷度之间的关系与理论结果符合较好. 关键词： 多相场模型 共晶生长 抽拉速度     

深过冷液态Al-Ni合金中枝晶与共晶生长机理

在自由落体条件下实现了液态Al-4 wt.%Ni亚共晶、Al-5.69 wt.%Ni共晶和Al-8 wt.%Ni过共晶合金的深过冷与快速凝固. 计算表明, (Al+Al₃Ni)规则纤维状共晶的共生区是4.8–15 wt.%Ni成分范围内不闭合区域, 且强烈偏向Al₃Ni相一侧. 实验发现, 随液滴直径的减小, 合金熔体冷却速率和过冷度增大, (Al)和Al₃Ni相枝晶与其共晶的竞争生长引发了Al-Ni 共晶型合金微观组织演化. 在快速凝固过程中, Al-4 wt.%Ni亚共晶合金发生完全溶质截留效应, 从而形成亚稳单相固溶体. 当过冷度超过58K时, Al-5.69 wt.%Ni 共晶合金呈现从纤维状共晶向初生(Al) 枝晶为主的亚共晶组织演变. 若过冷度连续增大, Al-8 wt.%Ni过共晶合金可以形成全部纤维状共晶组织, 并且最终演变为粒状共晶.     

Microstructural evolution during containerless rapid solidification of Co-Si alloys

The Co-12%Si hypoeutectic, Co-12.52%Si eutectic and Co-13%Si hypereutectic alloys are rapidly solidified in a containerless environment in a drop tube. Undercoolings up to 207K (0.14T_E) are obtained, which play a dominant role in dendritic and eutectic growth. The coupled zone around Co-12.52%Si eutectic alloy has been calculated, which covers a composition range from 11.6 to 12.7%Si. A microstructural transition from lamellar eutectic to divorced eutectic occurs to Co-12.52%Si eutectic droplets with increasing undercooling. The lamellar eutectic structure of the Co-12.52%Si alloy consists of εCo and Co_3Si phases at small undercooling. The Co_3Si phase cannot decompose completely into εCo and αCo_2Si phases. As undercooling becomes larger, the Co_3Si phase grows very rapidly from the highly undercooled alloy melt to form a divorced eutectic. The structural morphology of the Co-12%Si alloy droplets transforms from εCo primary phase plus lamellar eutectic to anomalous eutectic, whereas the microstructure of Co-13%Si alloy droplets experiences a `dendritic to equiaxed' structural transition. No matter how large the undercooling is, the εCo solid solution is the primary nucleation phase. In the highly undercooled alloy melts, the growth of εCo and Co_3Si phases is controlled by solutal diffusion.