Fe-C二元合金凝固过程强制对流作用下柱状晶生长行为的数值模拟

发布时间：2019-08-19 14:34

【摘要】：文章在前期建立的微观元胞自动机模型的基础上,耦合动量传输模型、质量传输模型和热量传输模型,建立了考虑流体流动的宏微观多尺度二维枝晶生长数学模型CA-FVM。并采用CA-FVM模型研究了强制对流作用下Fe-0.82C二元合金凝固过程枝晶生长规律。数值模拟表明:强制对流明显地改变了枝晶生长规律,靠近强制对流入口处枝晶生长受抑制作用较明显,枝晶生长较慢,远离强制对流入口处枝晶受抑制作用较弱,枝晶生长较快。同时,随着强制对流强度的增加,枝晶生长受熔体流动的影响更加明显,加剧了枝晶的非对称生长。
【图文】：

示意图,计算实例,示意图,计算区域

图1计算实例示意图Fig．1Schematicdiagramoftwonumericalcases底部传出，其余边界为绝热边界条件。流体从计算区域左边流入，右边流出，底部为壁面边界条件，顶部为对称边界条件。第二种情况(图1(b))，计算区域为408μm×408μm，计算区域底部和右边分别等距离分布8个形核质点，热量从计算区域底部和右边传出，其余两边为绝热边界条件。流体从计算区域左边流入，顶部流出，其余两边为壁面边界条件。3结果与讨论3．1第一种情况图2为计算区域底部热通量2．0MW/m2时，左侧入口速度从0增加到0．005m/s对柱状晶形貌和溶质分布的影响。从图中可以看出，在没有流动的定向凝固情况下，从计算区域底部形核的柱状晶径直向熔体内部生长，并将溶质元素向固液界面前沿排除。由于溶质元素在熔体中的扩散较慢，因此，随着柱状晶继续生长，柱状晶根部将会富集大量的溶质元素，形成枝晶间溶质偏析，这就是常说的溶质微观偏析。同时，一次枝晶臂表面溶质元素富集将会造成固液界面失衡，从而形成二次枝晶臂。此外，没有流动影响的柱状晶形貌完全一样，这是由于这4个人为设置的柱状晶生长位置相对较远，彼此将不存在竞争生长和相互影响，都能够充分生长。当熔体中存在强制对流时，计算区域内溶质分布发生明显的变化，枝晶生长存在严重的不对称，计算区域底部生长的枝晶形貌相差甚远。当左侧入口流速为0．001m/s时，左侧入口强制对流促使左侧枝晶根部富集的溶质元素翻越生长的枝晶障碍逐渐向右侧出口迁移，使得高浓度溶质区波及靠近左侧生长的两个柱状晶，枝晶生长受到明显的抑制作用，枝晶生长较慢。然而靠近右侧出口的两个枝晶则生长较快，这是由于枝晶生长前沿富集的溶质在强制对流的作用下被带走，从而使得枝晶尖端溶质浓度梯度较大，枝晶生长受到明显的促进作用。随

热通量,后柱,流体速度,晶形

图2在相同底部热通量2．0MW/m2和不同流体速度情况下生长200ms后柱状晶形貌Fig．2Columnardendritesafter200msunderheatfluxof2．0MW/m2withdifferentinletvelocities图3热通量和入口速度分别为1．5MW/m2和0．003m/s时，不同时间下柱状晶形貌Fig．3Morphologyofcolumnardendriteswithheatfluxof1．5MW/m2andinletvelocityof0．003m/safter50ms，75msand100ms的柱状晶从左到右，，受强制对流影响的程度依次减轻，枝晶生长速度增加。且冷却强度越大，靠近强制对流入口处枝晶生长受抑制影响越大，远离强制对流入口处枝晶生长受抑制越校3．2第二种情况图5为第二种计算情况下，底部和右侧热通量为1．5MW/m2，强制对流速度从0增加到0．005m/s，枝晶生长100ms后的形貌。同时，为了清晰地显示计算区域内流场，水平和竖直方向每隔10个节点画一个矢量。从图中可以看出，在无熔体流动状态下，计算区域底部和右侧的枝晶均垂直于区域边界，沿热流相反方向朝熔体中心生长。底部和右侧生长的柱状晶在正方形计算区域对角线处相遇，然后停止生长。同时，枝晶生长过程中排除的溶质元素富集在枝晶干根部，在枝晶间形成富含溶质区域。生长过程中排除的溶质元素富集在枝晶臂表面，使得固液界面失衡，产生二次枝晶臂。最终，计算区域内形成沿左斜对角线对称分布的枝晶形貌和溶质分布图。当强制对流存在时，强制对流从计算区域左侧进入，顶部离开，枝晶臂间形成涡流。枝晶生长过程中排除的溶质元素在强制对流的作用下向出口迁徙，从而在靠近强制对流入口处枝晶生长前沿形成高浓度溶质区域，抑制柱状晶生长。然而，在靠近流体出口处，枝晶生长前沿排除的溶质元素被强制对流带走，枝晶生长前沿生长速率增加。随着强制对流速度的增加，流体入口处高浓度溶质区域扩大，
【作者单位】：东北大学材料与冶金学院;鞍钢集团钒钛(钢铁)研究院;
【基金】：教育部博士点新教师基金(20130042120042) 国家自然科学基金资助项目(51404062)~~
【分类号】：TG111.4

【参考文献】