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.     

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     

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     

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     

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.     

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     

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.     

急冷条件下NiAl-Mo三元共晶合金的组织形成机制

采用单辊急冷技术实现了NiAl-Mo三元两相共晶合金的快速凝固, 同时与常规条件下的凝固组织进行了对比研究. 实验发现, 单辊急冷的合金条带与常规条件的凝固样品均由B2结构的NiAl金属间化合物和bcc结构的Mo固溶体两相组成, 两相均具有(110)晶面优先生长的趋势, 并呈现出(110)NiAl//(110)Mo取向关系. 常规条件下得到的微观结构主要由规则的两相共晶组织组成, 形成了类似菊花状的共晶胞. 而单辊急冷条件下形成的组织结构主要是由近辊面的柱状晶区和近自由面的等轴晶区组成的凝固组织. 理论计算发现, 合金熔体的单辊辊速由10 m/s增大至50 m/s后, 其冷却速率从1.01×10⁷ K/s逐渐增大到2.46×10⁷ K/s, 冷却速率明显高于常规铸造过程, 因而形成了差别很大的凝固组织. 随着辊速(冷却速率)的增加, 合金条带的厚度从54.4 μm减小至22 μm, 近辊面柱状晶区的厚度所占比例也逐渐增大, 晶粒发生了明显细化. 关键词： 快速凝固 三元共晶 共晶转变 冷却速率     

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     

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.     

Monte Carlo simulation of the dynamic evolution ofbinary lamellar eutectic in directional solidification

The dynamic evolution of the lamellar eutectic of binary alloys in directional solidification is studied in detail using the Monte Carlo technique. The simulated results can be summarized into two aspects: ({1}) the lamellar spacing λ is found to be inversely proportional to the chemical potential difference Δμ, predicting a linear relationship between the kinetic supercooling ΔT_k and total supercooling at the solid/liquid (S/L) interface; (2) as the solidifying velocity R is low, the dynamic product λ^{2}R shows a considerable dependence on temperature gradient G_T in the liquid in front of the S/L interface, although this dependence becomes much weaker at a high R.     

晶体取向对定向凝固枝晶生长的影响

采用类金属透明模型合金丁二腈-1.0 wt%乙醇(SCN-1.0 wt% Eth)合金, 考察了晶体取向对定向凝固过程中晶粒的平界面失稳孕育时间、枝晶形态演化以及枝晶一次间距的影响. 结果表明, 随着枝晶择优生长方向与温度梯度方向夹角的增大, 晶粒的平界面失稳孕育时间增加, 界面的稳定性增强; 对于不同晶体取向的枝晶形态演化, 枝晶择优生长方向与温度梯度方向夹角越大, 枝晶二次臂不对称生长越严重, 同时, 具有生长优势的枝晶二次臂对相邻枝晶的生长的抑制越强烈; 至于不同晶体取向的枝晶一次间距, 随着枝晶择优生长方向与温度梯度方向夹角的增大, 枝晶一次间距增大. 关键词： 定向凝固 平界面失稳 枝晶间距 晶体取向     

Influence of initial solid–liquid interface morphology on further microstructure evolution during directional solidification

Preparation of the initial solid–liquid interface on which growth is started is a very critical step in directional solidification experiments. Dedicated experiments concerning preparation of the initial solid–liquid interface morphology and its influence on further directionally solidified microstructure were performed on Cu-20 wt% Sn peritectic alloy in a Bridgman-type furnace. To verify the morphology of the initial solid–liquid interface, steady-state directional dendritic growth was interrupted by thermal stabilization ranging from 0 to 1 h prior to quenching. With thermal stabilization duration increase, the solid–liquid interface morphology degenerated from dendritic to cellular and finally to planar. To verify the influence of the initial state on further solidification microstructure, directional solidification experiments were performed at a low pulling rate of 1 μm/s with different initial solid–liquid interface morphologies. The initial state affects solute redistribution and formation of peritectic coupled growth structure in the subsequent directional solidification process.     

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.     

二元层片共晶凝固过程的特征尺度选择

基于Jackson和Hunt二元规则共晶稳态生长理论,在共晶两相的界面溶质守恒条件中引入密度修正项,改进了共晶两相的界面溶质守恒条件.在此基础上,根据二元层片共晶常规凝固过程中层片组织稳态生长时Gibbs自由能的变化,运用极值形态选择原理确定二元层片共晶凝固过程中层片间距特征尺度选择准则.理论分析表明,对于给定二元共晶合金,在常规凝固条件下的层片间距选择通常为一有限区间.此外,理论分析还表明,二元层片共晶稳态生长时其特征尺度的选择可以呈现超稳定性,而且在给定的凝固条件下超稳定性只和给定合金系的物性参数有关.将该形态选择准则分别运用于物性参数精确已知的Al-Al2Cu,Sn-Pb和CBr4-C2Cl6合金系,表明计算结果与实验结果相符合.