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Ni-Cu二元合金定向凝固的相场法数值模拟.pdf
第35卷 增刊2 稀有金属材料与工程 v01.35,Suppl。2
RAREMElALhL姗RIAI,SANDENGINEERING2006
2006年 8月 August
Ni.Cu二元合金定向凝固的相场法数值模拟
王智平,肖荣振,朱昌盛,徐建林,王延露
(兰州理工大学,甘肃兰州730050)
摘要:采用相场方法对二元合金的定向凝固进行二维数值模拟,以Ni.cu合金为例,展示了界面形态的演化过程,研
究了相场参数对界面形态的影响。结果表明,随着界面厚度的减小,晶体生长形态由胞晶转变为树枝晶,尖端速度增大,
但其稳定性下降;各向异性系数越小,尖端生长速度越小,越易于侧向分支的生长,形成胞状枝晶;热扰动幅值n对界
面形态也有重要影响,当a取值适当时,便引发侧向分支,形成胞状枝晶,同时尖端速度也受到影响。
关键词:相场法;定向凝固;数值模拟;胞状枝晶
244
中图法分类号:TG248;TG 文献标识码:A 文章编号:1002.185x(2006)S2.369.05
中,相场参数对界面形态有着重要影响。本文采用
1 前 言
在二元合金定向凝固中,柱状晶生长形貌以及界 合金为例模拟二元合金定向凝固过程界面形态及微观
面推进速率主要是由界面前沿的热扩散和溶质扩散来 组织的演化,定量地讨论界面厚度、热扰动幅度以及
决定。经典的尖锐界面理论在耦合扩散方程的同时需 各向异性系数对界面形态的影响。
要跟踪界面,造成计算量过大的缺陷。而相场方法则可
2数值模型
成功避免跟踪界面,因此,在凝固过程微观组织的模
拟中,基于扩散界面模型的相场法得到广泛应用。 2.1相场模型的建立
相场法自提出以来,在国外迅速成为凝固微观组 相场法是通过引入一个相场变量西来表示系统中
织模拟的热点。在早期的模拟中,相场法仅用于对纯 各点的物理状态,在WBM模型中,≯=0表示为固相,
物质过冷熔体枝晶生长进行模拟[1卅。目前,相场法已 咖=l表示为液相,在液/固界面上矿在1~O之间连续
经成功应用于合金凝固枝晶生长的模拟。W加『en等建 变化。相场方程是通过熵函数法来建立,将体系的熵
立了二元合金等温凝固的相场模型【5,6|,对Ni—Cu二假定为以下形式:
元合金等温凝固进行了近似模拟。在非等温凝固方面,
3 (1)
Wheeler等人首先提出了非等温凝固枝晶生长的相场 s=卜(≯,印)一等IV≯|2)dz
模型(WBM模型)【7,刚,该模型是建立在热力学一致其中j为热力学熵密度函数,妒为相场变量,P为内
(themodyn锄icallyconsistent)条件下推导所得,已能密度,c为溶质B在溶剂彳中的浓度,本文中B为
经得到广泛应用。Warren和Boettinger运用WBM模cu,彳为Ni。为了减少计算量,要求熵密度函数s(o,
型模拟了二元合金非等温凝固过程中的溶质偏析和枝
晶生长的再辉现象[6,91,同时,他们运用该模型对二元过程中体系的体积变化,获得的相场模型如下:
合金的快速定向凝固过程进行了模拟,展现了在不同
(2)
譬=M,{v.占2V妒_[(卜c)日』+棚。】)
生长速率下柱状晶生长的形貌演化【10】。最近,Kim等
人又提出了一个新的适合于合金非等温凝固微观组织
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