自然对流条件下柱状晶∕等轴晶转变过程模拟.pdf

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1、第４２卷第６期Ｖｏｌ畅４２Ｎｏ畅６２０１７年６月ＨＥＡＴＴＲＥＡＴＭＥＮＴＯＦＭＥＴＡＬＳＪｕｎｅ２０１７自然对流条件下柱状晶／等轴晶转变过程模拟杨莹莹，李日，周靖超，赵朝阳（河北工业大学材料科学与工程学院，天津３００１３０）摘要：建立了耦合流场、浓度场、温度场的ＣＡ-ＬＢＭ模型，采用该模型再现了合金在自然对流条件下柱状晶向等轴晶的转变过程，并与无对流条件下的凝固组织作对比，研究了自然对流对温度场和ＣＥＴ转变的影响。结果表明：自然对流促进了热的输运，加速了凝固进程，使柱状晶向等轴晶的转变提前，有细化晶粒的作用。关键词：合金凝固；ＣＡ-ＬＢ模型；ＣＥ

2、Ｔ转变；自然对流＋中图分类号：TG146．21文献标志码：A文章编号：0254-6051（2017）06-0173-05SimulationofcolumnartoequiaxedtransitionundernaturalconvectionconditionＹａｎｇＹｉｎｇｙｉｎｇ，ＬｉＲｉ，ＺｈｏｕＪｉｎｇｃｈａｏ，ＺｈａｏＣｈａｏｙａｎｇ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｅｂｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００１３０，Ｃｈｉｎａ）Abstract：Ｌａｔｔｉｃ

3、ｅＢｏｌｔｚｍａｎｎ（ＬＢ）-ｃｅｌｌｕｌａｒａｕｔｏｍａｔｏｎ（ＣＡ）ｍｏｄｅｌｃｏｕｐｌｉｎｇｆｌｏｗｆｉｅｌｄ，ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｆｉｅｌｄａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄａｎｄｕｓｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｃｏｌｕｍｎａｒ-ｔｏ-ｅｑｕｉａｘｅｄｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ（ＣＥＴ）ｄｕｒｉｎｇｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｍｅｔａｌｉｎｇｏｔｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｕｎｄｅｒｎａｔｕｒａｌｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ．ＥｆｆｅｃｔｏｆｆｌｕｉｄｆｌｏｗｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄａｎｄＣＥＴｐｏｓｉｔｉ

4、ｏｎｗａｓｓｔｕｄｉｅｄ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍｅｌｔｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎｍａｋｅｔｈｅＣＥＴｐｏｓｉｔｉｏｎａｈｅａｄａｎｄｈｅｌｐｔｏｒｅｆｉｎｅｔｈｅｅｑｕｉａｘｅｄｇｒａｉｎｓ．Ａｌｓｏｔｈｅｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎａｌｓｏａｃｃｅｌｅｒａｔｅｔｈｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒ．Keywords：ｍｅｔａｌｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｔｈｅＣＡ-ＬＢｍｏｄｅｌ；ｔｈｅｃｏｌｕｍｎａｒ-ｔｏ-ｅｑｕｉａｘｅｄｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ；ｎａｔｕｒａｌｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ［４-６］铸件的质量很大程度上取决于它的凝固组织，单中产生的环流

5、及引起的相界面的变化。王狂飞等相固溶体合金的凝固组织主要由柱状晶和等轴晶组利用溶质扩散控制模型模拟了ＣＥＴ过程，得出等轴晶成，柱状晶沿与热流相反方向生长，在性能上表现为各与柱状晶的溶质场产生了成分冲击波，从而阻碍了柱向异性，等轴晶生长方向性不明显，且结构紧密，在性状晶的生长，并研究了各种参数对ＣＥＴ转变的影响。［７］能上表现为各向同性，柱状晶区和等轴晶区所占比例Ｍａｒｔｏｒａｎｏ等用确定性模型预测了ＣＥＴ转变，表明形直接影响铸件的力学性能，因此预测柱状晶向等轴晶核过冷度对柱状晶和等轴晶凝固的影响。孙东科［８-１０］转变（ＣＥＴ）位置对于控制凝固组织

6、具有重要意义。随等基于ＬＢＭ的二维模型，模拟了强制对流和自然着微观组织数值技术的不断进步，以及计算机软硬件对流下的枝晶生长，表明对流使枝晶产生非对称的枝技术的发展，真实考虑流场作用下的微观组织形成过晶形貌，定量计算了对流对枝晶尖端生长速度的影响，程已经成为当前的研究热点。本文研究自然对流作用并与修正的ＬＧＫ理论解对比，验证了模拟结果的正确［１１-１２］下合金的枝晶生长，本质是要把流场、温度场、溶质场性。Ｙｉｎ和Ｆｅｌｉｃｅｌｌｉ等利用元胞自动机ＣＡ耦合的计算与微观组织的形成耦合计算，这是实现上述热格子Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ建立模型，并模拟出对流作用下的

7、单［１３］点目标的基础性关键问题。晶体、多晶体的枝晶生长情况。Ｂｏｈｕｍｉｒ等模拟出［１］Ｈｕｎｔ最早建立ＣＥＴ解析模型，并提出铸件生长了强制对流下的二维枝晶生长的大型并行化的格子玻存在的３种状态：完全柱状晶、部分柱状晶、完全等轴尔兹曼-元胞自动机模型，能够在厘米尺度的计算域内［２］展开计算，可以容纳一千万个枝晶的计算规模。晶。李强等采用有限差分耦合元胞自动机的方法模拟了冷却过程中自然对流对凝固组织的影响。柴美近年来出现的ＣＡ-ＬＢＭ方法（元胞自动机-格子玻［３］尔兹曼方法）［１４-１５］克服了流场计算难于收敛的问题，厚等从传热学的角度模拟了自然对

8、流在凝固过程具有计算简单快速、天然并行、能够处理复杂边界问题［１２］等优点；ＣＡ模型在模拟枝晶生长方面也具有程序收稿日期：