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金属过冷熔体凝固过程微观组织及凝固特性的相场法表征

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摘要

大部分材料，尤其是金属材料，在生产制备过程中均要经历由液态到固态的转变，即凝固过程。凝固学的中心任务是探索凝固组织的形成规律和控制方法，固/液界面形态研究是凝固理沦研究的重要组成部分，它决定了最终的凝固组织和材料性能。由于影响凝固组织形成的因素较多，近年来发展的数值模拟方法为再现金属凝固过程的组织演化，揭示微观组织的形成规律提供的有效手段。作为模拟复杂微观组织方法的一种，相场法已经广为研究者们所接受。
　　本文从Ginzburg-Landau理论出发，基于熵函数建立了二元合金相场模型，采用均匀网格显示差分法对相场和溶质场控制方程求解。通过研究方程数值解收敛的稳定性条件，确定了空间步长与时间步长的选择与物性参数之间的限制性关系;采用交替方向隐式方法求解温度场控制方程，避免了时间步长的限制。利用VC++操作平台的兼容性，采用C语言实现离散方程的程序编制，利用Tecplot软件实现模拟结果的计算机图像生成及其动态显示;并对凝固过程中枝晶/胞晶尖端生长速度、曲率半径、固相率等进行了计算。研究表明:
　　Ni-Cu二元合金等温凝固过程中，各向异性系数γ强烈影响界面形态与枝晶尖端稳态行为，对于<100>枝晶生长过程，当γ＞1/15时，枝晶生长界面形态呈现不连续的小晶面生长，原始的相场法模型变得不可用，需要对其进行修正计算;对于非典型的<110>枝晶生长，当各向异性系数γ=0.02时，<110>枝晶生长呈现完全对称的“雪花状”晶结构;当γ＞0.02时，则[(1)10]方向枝晶主支生长较[(1)01]与[0(1)1]方向更为发达，枝晶生长对称形貌被破坏，形成“羽毛状”甚至“针状”结构，且沿[(1)10]方向溶质截留效应加剧。而对于<110>枝晶生长，界面动力学β的影响也较为显著，随着β的增加，侧向分支出现大量的合并现象，形成“扇形状”及“盘状”晶，但是晶体生长的对称性并未遭到破坏，溶质截留效应表现明显，当β=0.60，溶质截留水平近似于完全截留。
　　通过对Ni-Cu二元合金等温模拟与非等温模拟的对比发现:结晶潜热的释放使固相温度升高，而且在固相内二次枝晶生长较为集中的区域温度最高，发生明显的再辉现象。潜热的释放使液相中的过冷度降低，同一凝固时间非等温凝固时的固相率相对较小，并随着时间变化固相率的差距也在增大，枝晶没有等温凝固时的发达。此外，较高的温度利于液相溶质扩散，导致非等温条件下的固/液界面溶质浓度较低，溶质截留效应增强。当存在热扰动时，在较小的界面厚度条件下，热扰动极易被放大，使得枝晶尖端生长稳定性下降，枝晶生长受到抑制;扩散系数DT对枝晶生长的影响主要是热扩散层完成的，当DT增大时，凝固产生的热量能较快的扩散出去，凝固区域的温度上升更加缓慢;溶质梯度系数δ对枝晶形貌几乎没有影响，但随着溶质梯度的增大，固相区溶质分布趋于一致，溶质偏析程度下降。
　　在二元合金定向凝固过程中，随着界面推进速度的提高，界面形态呈现平-胞-平转变，界面前沿固、液相成分逐渐逼近，从而表现出强的溶质截留效应。在低的凝固速度下，各向异性系数γ对界面形态及尖端生长速度影响明显。当各向异性较弱时，凝固过程晶体生长形态为海藻状组织形貌;随着γ增大，晶体生长形态呈现胞状枝晶及胞晶生长，尖端生长速度增加，稳定性下降。但是，定向凝固的平界面生长过程几乎不受到各向异性的影响。除了界面推进速度，物性参数对溶质截留效应也存在明显影响，随着梯度系数δ及界面动力学系数β的增加，固相溶质浓度显著增加，溶质截留效应增强。
　　对流对枝晶生长影响明显。引入对流后，枝晶呈现不对称生长，逆流方向枝晶臂生长最发达，顺流枝晶臂生长速度最缓慢，其枝晶臂最短，水平方向枝晶臂生长速度介于前两者之间。通过研究多个晶粒在对流条件下的凝固过程发现，各晶粒之间在相互竞争生长的同时，整体沿着逆流方向生长。通过研究对流作用下各向异性γ对枝晶生长的影响发现，在较小各向异性条件下，各方向枝晶主支生长都比较粗大，随着各向异性增大，各向主枝都逐渐变细，产生侧向分支，发生明显的颈缩效应。当γ增大到0.07时，引发枝晶变异，发生小晶面枝晶生长，界面上出现棱角;顺流枝晶生长产生尖端分裂，枝晶根部形成断裂趋势。对二元合金凝固过程，对流影响也较为明显，随着对流的增强，逆流枝晶生长速度呈现近似线性增加，溶质截留效应明显;而水平尖端生长速度几乎不变。而顺流枝晶尖端生长在弱的对流作用下，随着流速的增加，其现表现为下降趋势;但是对流的进一步增强，则表现为上升趋势，但是顺流枝晶尖端生长速度始终小于逆流方向及水平方向。

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