横向限制下凝固微观组织演化的相场法模拟.pdf

《横向限制下凝固微观组织演化的相场法模拟.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、物理学报AetaPhys．Sin,Vo1．62，No．10(2013)106401横向限制下凝固微观组织演化的相场法模拟米杜立飞)张蓉)干邢辉)张利民)张洋)刘林2)1)(西北工业大学理学院，空间应用物理与化学教育部重点实验室，西安710072)2)(西北工业大学，凝固技术国家重点实验室，西安710072)(2012年11月7日收到；2013年1月15日收到修改稿)凝固过程中横向限制挡板的存在对晶体微观结构的演化存在重要的影响，不同性质的横向挡板将产生不同的限制效应，对最终凝固微观组织形成起着决定性作用．本文利用非等温相场模型，定性地模拟了纯金属Ni凝固过程中横向限制的存在对其枝晶

2、微观形貌演化的影响，研究了不同尺寸及性质的横向挡板对枝晶微观结构形成的影响，讨论了横向限制对不同初始枝晶间距枝晶形貌发展的作用．计算结果表明，横向限制挡板的存在将直接影响凝固过程中微观组织的形貌演化过程并最终改变微观结构．随着横向挡板间距的减小，微观组织变化更加明显；挡板初始温度越低，枝晶形貌改变越明显；初始枝晶间距越大，形貌变化越明显；不同挡板高度对微观结构具有基本相同的影响．关键词：相场模拟，微观组织演化，横向限制PACS：64．70_D一，82．20．Wt，61．50．AhDOI：10．7498／aps．62．106401王华明等[91研究了侧向约束条件下单晶Ni基高温1引言

3、合金的凝固行为及溶质再分配规律，发现侧向约束条件对单晶Ni基高温合金的凝固组织、溶质偏析材料的微观组织结构对材料的性能具有决定及溶质再分配均具有极为强烈的影响。提出侧向约性的作用，通过控制凝固条件获得最优微观结构是束条件即试样断面变化对单晶Ni基高温合金凝固金属材料设计技术的重要手段[1-6j．在实际凝固过过程的影响实质上是局部凝固工艺参数的影响．可程中，许多工程组件具有非规则的横截面，例如由见，研究横向限制条件下的凝固行为对理解界面存定向凝固获得的涡轮叶片就是由不规则截面的影在对凝固过程中溶质及温度传导规律具有重要意响最终得到的复杂微观结构成品【7j，这种不规则界义，溶质及热量传

4、导的改变将直接影响材料微观结面的存在对凝固过程有两个重要的作用：首先，热构的形成，并晟终导致材料具有特异的性能．但是量的传导因界面的存在受到明显影响，不同导热性由于实验条件的限制，目前的实验手段很难精确地质的横向界面有着不同的导热规律；其次，界面的测量材料凝固过程的诸多细节，而采用计算模拟的存在会明显影响固液界面的推进，且不同形状和性方法不仅可以有效地节约成本，还能够有效地反映质的界面对微观组织的形成存在不同程度的影响．完整的凝固过程，并且获得更加丰富的过程参量及另外，在合金凝固过程中存在横向界面时，溶质场数据，有助于在理论上研究各种实验条件对凝固过的分布也会显著变化．Fabiet

5、ti等【8]实验研究了定程的影响[1o一41．本文采用相场模拟的方法，模拟横向凝固条件下横向限制对丁二腈凝固过程的影响，向限制存在时纯金属Ni单晶的凝固行为，讨论横发现横向限制对枝晶尖端生长速度及枝晶间距存向挡板的尺寸及温度对凝固组织微观结构演化的在重要影响，同时横向限制的存在改变了溶质的宏影响规律，以期对实际铸件凝固过程的控制提供理观及微观偏析，晶体形态也受到一定程度的影响．论指导．国家重点基础研究发展计划(批准号：2010CB631202)和西北工业大学基础研究基金(批准号：JC201272)资助的课题十通讯作者．E—mail：xbwlO1@nwpu．edu．cn⑥2013中国

6、物理学会ChinesePhysicalSocietyttp：／／／wulixb．劾hy．0c．cn物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．62，No．10(2013)1064012相场模型及数值求解其中为相场参量．将(1)式代入(3)式，化简得到相场控制方程纯金属凝固过程的相场模型包含两个相场变f：一量，(，t)和(r，f)．其中序参量(r，t)是空间r()+()和时间t相关的变量，且定义=0代表固相，=1+·(E2V妒)+妒(1一妒)(一1+)，(4)代表液相；r(r，t)表示温度场．纯金属Ginzburg—Landau形式的体系自由能[15]可表示为(3)式中可引入随机噪声(

7、1一)，a为噪声强，(妒，)：／，)+1c2IVIld(1)度，为f一1，1I的随机数．m是温度相关参数，定义为其中，￡是界面自由能系数，，(，m)为双势自由能密度函数，其形式可取为m(T)：(a／rt)tan[r(re—)]，(5)f(O，)=14一(芝1一1)式中，为平衡温度，<1以保证frn()f<1／2．温度场控制方程可由热扩散方程获得+OT(一1m)(2)=V2Tq-dtdt，。(、6)式中，m为控制自由能势阱的参数．界面能各向异其中为无量纲温度，为无量纲潜