温度梯度区域熔化作用下熔池迁移的元胞自动机模拟

本文采用耦合凝固和熔化效应的二维元胞自动机(cellular automaton, CA)模型,对温度梯度区域熔化(temperature gradient zone melting, TGZM)效应引起的熔池在固液两相区中的迁移现象进行模拟研究.模拟分析了抽拉速度、熔池初始位置、温度梯度和合金成分等因素对TGZM动力学的影响,并将模拟结果与解析模型的预测结果进行比较验证.通过模拟发现,在温度梯度作用下,熔池总是向着高温方向迁移;当抽拉速度低于或高于临界抽拉速度时,熔池朝向移动的液相线或固相线迁移;对于给定的抽拉速度,位于糊状区内临界位置以上的熔池会迁移进入液相,而位于临界位置以下的熔池会逐步靠近固相线.此外,温度梯度越高,合金成分越低,熔池的迁移速度越快.

合金凝固过程中显微组织演化的元胞自动机模拟

元胞自动机(cellular automaton,CA)方法能够有效地描述凝固过程中显微组织形貌的复杂演化过程,且计算效率较高,展现出良好的实际应用潜力.近20年来,CA模型取得了很大的进展.本文简要综述几种模拟凝固组织的CA模型,包括纯扩散和对流作用下的枝晶生长、共晶凝固、多元合金中的热力学和动力学耦合、枝晶耦合凝固气孔的生长、以及多尺度的耦合模拟.最后,对今后CA模型的发展提出作者的几点思考.

合金凝固枝晶粗化的研究进展

枝晶是一种最常见的金属凝固显微组织。在大多数中低速的凝固过程中,枝晶组织发生粗化是一种不可避免的现象,对最终的凝固组织和产品性能产生重要影响。本文首先简要评述半个多世纪以来关于连续冷却和等温凝固过程中的枝晶粗化在理论研究、实验研究和数值模拟3方面的研究进展。随后,介绍作者课题组最近提出的一个包含凝固和熔化机制的元胞自动机(cellular automaton,CA)模型。采用该CA模型对SCNACE合金在固/液两相区等温过程中的枝晶粗化现象进行模拟研究,并对枝晶粗化过程中的凝固/熔化、界面几何形状和溶质扩散之间的复杂相互作用关系进行分析。

定向凝固糊状区枝晶粗化和二次臂迁移的实验和模拟

采用透明合金原位观察实验和元胞自动机(CA)模拟,对丁二腈-丙酮(SCN-ACE)合金在定向凝固过程中糊状区的枝晶形貌演化进行了分析研究。实验和模拟均观察到了由于小枝晶臂重熔、相邻枝晶臂从尖端或根部合并的3种枝晶臂粗化模式,以及由于温度梯度区域熔化(TGZM)效应所引起的二次枝晶臂向高温方向的迁移现象。结果表明,枝晶臂的迁移速率随温度梯度的提高而加快;随保温时间的延长,枝晶臂的迁移速率降低。实验值和解析解吻合良好。通过模拟证实了必须有熔化效应才能实现枝晶臂迁移和小枝晶臂重熔的粗化模式。此外,熔化效应对由相邻枝晶臂合并引起的粗化模式也有显著的促进作用。