二元及多元合金非平衡凝固的相场理论研究

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1、摘要摘要非平衡凝固技术近年来发展迅猛，新的亚稳材料不断涌现。非平衡凝固过程是一个相当复杂的过程，既包含宏观的传热、传质、液体流动、结晶潜热释放和成分过冷等现象，又有微观的晶粒形核、生长、熟化和界面前沿溶质再分配等过程。凝固一般是在高温条件下进行的，直接测量和观察其生长过程参数与形貌相当困难，凝固过程的研究倘若只从实验的角度进行势必会困难重重，计算机模拟方法为研究凝固提供了一条捷径。相场方法作为近几十年来发展迅速的相变过程模拟技术，一直被作为凝固过程模拟的重要手段。但作为相场方法核心的相场模型，却一直存在着较多问题悬

2、而未决，如模型体系中的额外限制条件无法得到解决，非平衡溶质扩散效应无法合理地引入模型当中。在此背景下，本文拟从热力学极值原理出发，建立综合考虑上述问题适用于浓溶液合金体系的相场模型。本文主要研究内容与结论如下：1.借助于热力学极值原理，二元合金体系中的额外限制条件得到热力学自洽性地解决，自然地推导出非平衡凝固时非守恒的相场传播和守恒的溶质扩散通量相互依赖的演化方程，即二元合金相场模型。该模型符合Onsager倒易关系。2.在一维稳态生长，固相中溶质扩散忽略情况下，对当前相场模型进行理论分析，发现当前相场模型的溶质截

3、留效应与尖锐界面模型相应效应具有相似性；利用有效移动性方法将非平衡溶质扩散效应综合引入到长程溶质扩散和短程溶质再分配当中，可预测从扩散控制型生长到无扩散凝固的转变和溶质拖拽消失的同时发生。3.以Si-9at.%As二元合金为研究对象，将相场模型应用于该合金的非平衡凝固模拟计算。通过分配系数和溶质拖拽因子的计算，得到了与上述理论分析一致的结果。4.将二元合金相场模型拓展至多元浓溶液合金时，得到两种不同表达形式的多元合金相场模型。其中一种相场模型具有比前人模型都要简单的形式。在平衡条件下，模型中的界面和块体相贡献能够完

4、全分离开来，意味着模型能够借助“薄界面极限”分析进一步提高模拟效率。5.将多元浓溶液合金相场模型应用到不同成分的Al-Si-Cu三元合金非平衡凝固时发现若组元间相互作用较强，会发生反常溶质截留和反常成分分布行为，即对于多元合金体系，组元间相互作用不可忽略。同时通过计算结果对比研究了尖锐界面模型与当前相场模型的物理联系。关键词：非平衡凝固；相场模型；热力学；动力学；浓溶液；多元合金IABSTRACTABSTRACTNon-equilibriumsolidificationtechnologyhasbeendevelo

5、pedrapidlyinrecentyearsandnewmeta-stablematerialshavebeenwidelyprepared.Solidificationisaconsiderablecomplicatedprocess,whichcontainnotonlythephenomenonofheattransfer,masstransfer,liquidflow,crystallizationlatentheatreleaseandconstituentundercoolingonmacro-sca

6、le,butalsotheprocessofnucleation,graingrowth,ripeningandsoluteredistributioninthefrontofinterfaceonamicro-scale.Solidificationisgenerallycarriedoutunderhightemperatureconditionandthushardtobeobservedandmeasureddirectly.Theremustbealotofdifficultiesiftheresearc

7、hofsolidificationonlyproceedsexperimentally.Thesimulationmethodprovidesanotherwayforstudyingsolidification.Asarapiddevelopmentsimulationtechnologyforphase-transformation,phase-fieldmethodhasdevelopedtobeanefficienttoolforsimulationofsolidification.However,ther

8、estillexistsomeopenproblemsinphase-fieldmodeling,suchasthecomplexadditionalconstraintsandthemethodtointroducenon-equilibriumsolutediffusioneffect.Inthisthesis,thethermodynamicextre