相场法对比模拟二元合金等温/非等温凝固过程(英文)

基于熵函数建立二元合金的二维相场模型,采用基于均匀网格的有限差分法求解相场和溶质场控制方程;为了避免时间步长的限定,采用交替隐式差分法(ADI)求解温度场控制方程。对Ni-Cu合金非等温凝固过程的部分特征进行模拟研究,对比分析二元合金等温/非等温凝固过程。模拟结果表明:非等温模型更能有效地模拟二元合金的实际凝固过程,并且随着热扩散系数的减小,非等温相场模型逐渐向等温相场模型回归。

二元合金非等温凝固枝晶生长的相场法模拟

利用相场模型与溶质场、温度场进行耦合计算,以Al 4 5%Cu合金为例模拟了二元合金非等温凝固和等温凝固的等轴枝晶生长过程。研究了扰动对过冷合金熔液中的等轴枝晶生长以及溶质场和温度场的分布的影响。结果表明:扰动的引入可以促进枝晶的二次晶臂生长,并使固相中的最高温度提高,但基本不影响枝晶尖端稳定行为;在枝晶生长过程中枝晶尖端的浓度和温度的梯度最大;在非等温凝固时枝晶没有等温凝固时发达,并且凝固界面的溶质浓度也会降低。

二元合金非等温凝固相场法模拟

利用耦合温度场与溶质场的相场模型对Al-Cu二元合金非等温凝固时枝晶生长过程进行了模拟。研究了人为变化的不同热扩散系数对枝晶生长行为的影响。计算结果表明:随着热扩散系数的减小,潜热释放对熔体内原有温度场的影响也减小,熔体内过冷度能够更好地保持;而枝晶尖端生长速度将增大,枝晶呈现出更发达的侧向分支;同时,溶质偏析程度也越小。将计算模拟结果和实验结果进行了比较,两者吻合良好。

多元合金等温凝固相场法模拟

利用由二元合金相场模型扩展获得的多元合金相场模型,以Fe-C-P合金为例,研究界面厚度对枝晶生长的影响.结果表明,随着界面厚度的减小,枝晶生长速度增大,界面推进速度提高,主枝晶臂变细,二次枝晶臂越发达,固液界面溶质扩散层的厚度减小,界面前沿溶质分配系数增大,而界面前沿溶质偏析程度也相应增大;相反,随着界面厚度的增加枝晶尖端生长速度逐渐减小,并呈收敛的趋势.

DD3合金TLP扩散焊等温凝固过程研究

采用一种含B中间层合金在不同温度下保温不同时间TLP连接DD3高温合金。观察不同连接规范下的焊缝组织并测定了焊缝中央共晶区域的宽度。研究发现,焊缝中央共晶宽度与保温时间的1/2次方成反比。由此推算出1150℃,1200℃和1250℃连接温度下等温凝固完成所需时间分别不超过3h,2h和1h。通过建立扩散模型并利用菲克第二定律的误差函数解,分别根据Ni-B和DD3-B模拟相图,计算了不同连接温度下焊缝完成等温凝固所需要的时间。计算结果表明对于给定的连接系统,存在一个连接温度的最佳值,在该温度下,焊缝等温凝固完成所需的时间最短。结果表明,对于DD3合金的TLP扩散焊,采用1250℃的连接温度比较合适。

基于KKS模型二元合金等温凝固过程的相场法模拟

基于KKS模型,采用相场和溶质场两场耦合的方法,对Al-2-mole-Cu合金凝固过程枝晶生长进行了数值模拟.在模拟过程中,采用不同的各项异性系数和初始晶核固液界面溶质浓度梯度.模拟结果表明,在没有扰动的情况下,随着各项异性系数的增大,枝晶出现二次枝晶,且越发达,并伴随着“颈缩”现象,当各项异性值达到足够大时,二次枝晶就会由于凝固潜热的释放而出现熔化“脱落”现象,脱落的二次枝晶将会成为非均质形核的初始晶核.模拟结果还表明,时间步长的增大不是致使模拟枝晶出现分叉的唯一原因,小的各项异性系数也会使枝晶出现分叉现象.

Fe-C合金等温凝固过程的相场法模拟

基于KKS模型,采用耦合相场和溶质场的方法,对Fe-0.5mol%C合金凝固过程中的枝晶生长进行了模拟,并研究了过冷度、各向异性强度和扰动强度对枝晶生长形貌的影响。结果表明:随着过冷度的减小,枝晶主干细化,各向异性程度增大,晶粒生长速度减小,溶质扩散层厚度增加,枝晶的最高溶质浓度降低,溶质梯度减小;随着各向异性的增加,晶粒由海藻状转变为枝晶态,枝晶生长速度也随之增大;扰动强度引发了侧向分枝,侧枝间互相竞争生长,根部出现"颈缩"现象,但扰动强度的加入并不改变枝晶尖端的稳态行为。

三元合金等温凝固过程的相场法模拟

采用相场与浓度场耦合的相场法,以Fe-C-P合金为例,模拟三元合金等温凝固的生长过程.结果表明,在一定的温度区间里,生长速度是随着温度的降低而减小的,随着温度的降低,二次枝晶生长越发达.模拟结果还表明,二次枝晶之间有大量的溶质富集;各向异性系数的改变会影响二次枝晶的形貌.

二元合金非等温凝固过程的相场法模拟

基于Ginzburg Landau理论 ,发展了一个新的相场模型。并利用该相场模型与溶质场、温度场进行耦合计算 ,以Al 6.5Cu合金为例模拟了二元合金非等温凝固和等温凝固的等轴枝晶生长过程。研究了凝固潜热对过冷合金熔液中的等轴枝晶生长以及溶质场和温度场的分布的影响。结果表明 :潜热的释放在一定程度上抑制了枝晶的生长 ,使非等温凝固时枝晶没有等温凝固时发达 ,并且凝固界面的溶质浓度也会降低 ,但不会改变在枝晶生长过程中浓度分布情况。

Fe-C合金等温凝固过程枝晶形貌的相场法模拟

基于KKS模型,采用相场和溶质场耦合的方法,对Fe-0.5%C(摩尔分数)合金凝固过程枝晶的生长进行了数值模拟,研究了晶粒的长大过程及各向异性强度和扰动等对枝晶形貌的影响。结果表明:晶体生长初期,晶粒形貌为球状,随着时间的推移,晶粒形貌由球状经星形向枝晶形转变,最后形成复杂的树枝晶;随着各向异性的增大,晶粒形貌由球形逐渐向四边形转变,最后形成树枝形;各向异性使晶粒形貌以枝晶方式生长,扰动是引发枝晶的侧向分支的主要原因。

多元合金耦合热力学数据非等温凝固的相场模拟(英文)

研究一种多元合金的非等温相场模型,定量地模拟工业多元合金的真实凝固过程,结合热力学和扩散迁移率的数据来预测整个系统中的相平衡、溶质扩散系数、比热容和放出的潜热。结果表明:这些参数不是常数,它们的值与成分和温度有关。没有这些参数,定量模拟多元合金的凝固几乎是不可能。在这个模型中,界面区域假设是由有同样化学势的固相和液相混合而成的,但组成不同。这个模型中同样考虑反溶质截流。一并将模型应用到工业Al-Cu-Mg合金的各向枝晶自由长大的凝固过程。

Fe-C合金等温凝固过程枝晶生长的相场法模拟

基于KKS模型,采用相场和溶质场耦合的方法,对Fe-0.5mol%C合金枝晶生长及溶质分布过程进行了数值模拟。结果表明,枝晶主轴比较发达,二次枝晶垂直于主轴生长;二次枝晶呈现相互平行生长的同时,也存在较为严重的相互竞争生长,且根部出现"颈缩"现象。随着二次枝晶的生长,甚至还出现了三次枝晶的生长。凝固过程中固相溶质浓度较低,而液相溶质浓度较高,固/液界面区域出现溶质富集现象,枝晶溶质浓度分布曲线的形貌与枝晶形貌互相对应。

二元合金非等温凝固枝晶生长相场法模拟

基于KR模型,耦合温度场、溶质场与相场,对二元合金非等温凝固枝晶生长过程进行模拟,分析热质扩散比Lewis(刘易斯数)对枝晶生长、温度场及溶质场分布的影响。分析模拟结果表明;Lewis数低时,枝晶生长慢,热扩散比溶质浓度扩散慢,导致热量和溶质扩散层厚度变小,界面处温度梯度和溶质浓度梯度幅值减小;相反,Lewis数高时,枝晶生长快,热扩散比溶质浓度扩散快,导致热量和溶质扩散层厚度变大,界面处温度梯度和溶质浓度梯度幅值增大。

双相不锈钢瞬时液相连接接头的组织结构及等温凝固模拟

采用镍基非晶态合金作中间层,对双相不锈钢进行了瞬间液相连接试验研究.利用场发射扫描电镜(FE-SEM)对连接接头组织进行了观察;利用能谱仪(EDS)和波谱仪(WDS)对接头处微区成分进行了分析,使用X射线衍射仪对连接接头物相组成进行了确定.结果表明,在等温凝固完成前,在中间层和基材的结合处第二相析出物主要是BN,在中间层区域主要物相是γ-Ni固溶体,Ni3B和Cr-borides.此外采用三种扩散模型对等温凝固完成时间进行了计算,对比试验结果,溶质分布模型所得数值更接近真实值,更适合该连接过程.

过冷熔体中非等温凝固枝晶生长相场法模拟

基于二元合金相场模型,建立了耦合溶质场和温度场的相场模型。采用有限差分法对控制方程进行了数值求解,模拟了Al-Cu二元合金非等温凝固时枝晶生长过程,研究了过冷度对等轴枝晶生长行为的影响。结果表明:过冷度越大,枝晶的侧向越发达,甚至三次枝晶出现,枝晶尖端生长速度越大,计算范围内温差越大。

Sn合金的加压等温凝固研究

采用加压等温凝固的方法,研究了其对纯Sn及Sn合金组织的影响。结果表明:液态纯Sn分别在312 MPa、499 MPa和749 MPa压力下凝固,液态Sn-Bi和Sn-Bi-Cu合金在749 MPa压力下凝固都得到了等轴晶组织。过热金属液在高压作用下,提高了熔点,产生过冷度,导致金属液在整个体积内凝固,获得了等轴晶组织。

溶质梯度影响非等温凝固过程的相场法模拟

采用相场法模拟了Ni-Cu二元合金非等温凝固过程溶质梯度对枝晶生长的影响。结果表明:非等温凝固时,潜热的释放使固相区的温度比液相中的高,在二次枝晶生长较为密集的中心区域温度最高,固相区温度升高会使得金属重熔,发生重熔现象,晶体的生长速度和凝固区域的温度随之出现波动。溶质梯度对溶质分布影响较大,溶质梯度增加,固相率提高,溶质分配系数k增大,固相区溶质富集,形成了过饱和的固相,溶质截流效应明显。

瞬间液相扩散焊过程中的接触熔化与等温凝固模型

接触熔化与等温凝固是瞬间液相扩散焊过程中两个非常重要的阶段,是获得优质连接接头的关键,一直以来也是学术界研究的热点。综述了接触熔化与等温凝固过程的动力学模型,包括接触熔化与等温凝固时间的解析解,接触熔化过程中反应层厚度与连接时间符合扩散控制的抛物线规则,以及等温凝固过程中液/固界面迁移的速度方程。并对现有模型进行了分析和讨论。

液相扩散焊等温凝固阶段的特征及解析解

用二元共晶相图对等温凝固过程中固相内溶质 (MeltingPointDepressant )浓度分布及等温凝固产物进行了定性理论分析 ,指出 :固相区在焊接温度下的“饱和浓度”仅会出现在液 -固界面固相侧 ,故等温凝固进程受控于固相中扩散的原因在于溶质原子在固相中存在浓度梯度 ;等温凝固结束后虽在焊接温度下可获得固溶体 ,但冷至室温时可能会有化合物相脱溶析出。在此基础上 ,介绍了等温凝固过程的四种解析解法———薄膜解、单相解、双相解、单 -双相混合解及其优缺点。其中后三者的共同求解规律是基于固相内浓度分布方程与物质守恒方程进行求解的 ,它们的差别主要来自于在处理固 -液界面的移动对固相内浓度分布的影响时采用了不同的方法。总结了液相区最大宽度的影响因素 ,并给出两种基于物质守恒定律估算液相区最大宽度的方法。各解析解均存在未考虑压力与晶界作用的不足。

碳钢/Cu/碳钢系统轧制——扩散复合等温凝固过程的动力学模拟计算

采用厚度为50μm的纯铜箔作为中间层,在1100℃下对低碳钢板进行了轧制—扩散复合,考察了塑性变形对界面结合强度和中间层厚度的影响。基于试验结果,系统地研究了碳钢/Cu/碳钢系统轧制——扩散复合中间层等温凝固过程的动力学,并建立了等温凝固时间模型。结果表明,一定的塑性变形可以有效缩短中间层液相全部完成等温凝固的时间。试验测量的等温凝固中间层厚度随时间的变化曲线与理论计算曲线衔接与吻合良好,中间层变化和液相区等温凝固过程互相协调,有助于提高界面结合强度。采用晶内扩散和晶界扩散共同作用下的有效扩散系数,可以精确预测中间层等温凝固时间。