半固态球状枝晶形成过程的相场法数值模拟

发布时间：2019-09-05 20:18

【摘要】：半固态成型技术的关键在于半固态浆料的制备,而半固态浆料制备中球状组织的形成和球状组织的演化过程一直是物理学家和材料学家们研究的热点。微观组织的结构形貌决定了材料的组织性能,深入研究半固态凝固过程中枝晶生长演变对进一步提高材料性能有重要作用。相场法作为一种比较成熟的数值模拟方法,可以有效模拟平衡状态下微观枝晶组织形成过程。本文以KKS相场模型为基础,建立相场与流场和溶质场相藕合的相场模型,结合半固态组织特点,引入晶核自旋,并对质量和动量控制方程进行求解。根据控制方程的特点采用不同的离散方法进行求解。最后编制求解程序,求解离散的控制方程。通过Origin9.0数据分析软件分析程序运算数据得出可视化结果,从而分析枝晶生长过程和各因素对枝晶形貌和溶质分布的影响。本文分别对二元合金和三元合金进行了数值模拟,探究半固态球状组织的形成过程。研究结果表明:晶核自旋是枝晶由树枝状向蔷薇状进而向球状转化的重要因素。流场作用下熔体冲刷枝晶,使被冲刷面枝晶加速生长,而未被冲刷面枝晶抑制生长,晶核自旋使这种促进与抑制作用周期性对换,枝晶在各个方向上基本共同生长,流速的增加和过冷度的增大都加快了枝晶的生长,从而进一步促进枝晶向蔷薇状转化最后形成球状组织;枝晶自旋角速度的增加使枝晶臂弯曲程度加大进而使枝晶有明显旋向生长趋势;不论是对二元合金还是三元合金,流速的增加都会促使晶粒的较快生长,并且二次枝晶臂生长尤为明显;初始温度的降低使枝晶凝固时的过冷度增大,进而加快了合金中溶质的扩散速度,枝晶生长随之加快;
【图文】：

示意图,枝晶,示意图,枝晶臂

熔断或折断的方式从主枝上分离下来，这种枝晶的碎断从而引起了晶粒的繁殖[26-29]。 Wannasin等[30]则认为在凝固过程中搅拌会引起了枝晶的碎断或重熔，因而变成二次晶核，这是非枝晶形成的机制。M.C.Flemings[31]教授等提出结晶开始时，晶核是以枝晶形式生长的，但在强烈的对流作用下造成晶粒间相互碰撞磨损、剪切以及液体对晶粒的冲刷，，强烈的对流可能促使枝晶臂从枝晶上断裂脱落下来，脱离的枝晶臂在强迫流场的作用下形成等轴晶粒的异质核心，同时枝晶自身原有结构也在强对流作用下发生变化，枝晶向蔷薇状转化。温度下降的同时过冷度也随之增加从而促使蔷薇状枝晶向球状结构过度。Vogel 和 Cantor[32]等研究发现机械搅拌条件下固液界面更加容易失稳，这一研究现象与大量实验观察相悖，为了更好地解释强迫对流下所出现的晶粒细化现象，Vogel和 Cantor 进一步提出：枝晶臂破碎机制用于更好地揭示晶粒的增殖，并且认为强对流对枝晶所产生的强大剪切力是使侧向枝晶臂弯曲的原因。枝晶臂产生的大幅度错位，并且在较高温度下枝晶臂会形成角度较大的结晶，这时的晶界能相较与固液界面能要大好多，从而导致枝晶臂分离，二次枝晶臂从初生相上脱离（图 1-1）[33]。并以脱落的枝晶臂为核心再进行结晶生长。

示意图,枝晶,根部,机制

可以通过加强均值形核与晶体分离来实现半固态浆料中晶粒的g等[38]认为在电磁搅拌作用下引起的强烈对流，使熔体均质形核，初化；熔体中强烈的对流能改变初生晶粒生长的形貌，使的枝晶各个方趋于一致，枝晶有树枝状向蔷薇状转变最终变成近球形。De Figuerelemings 的研究结果表明，凝固初期熔体内形成大量的固相晶粒[40]，的固相晶粒并非以枝晶形式生长，而是以非枝晶形式生长从而形成了液的显微组织[39]。有研究者认为，在半固态浆料形成中枝晶会直接，而非有树枝状转化或枝晶的碎断和熟化形成的。有的文献则认为激使初生晶体直接在液相线以上长成球状。awell[41]根据 M.C.Flemings 早期的观点，分析合金在接近熔点附近时提出搅拌只会使枝晶臂发生塑性或弹性变形，但不足以使枝晶臂发生晶上脱落下来，并认为二次枝晶臂在枝晶根部分离脱落的原因在于溶部聚集和热对流时产生的重新熔化。由于对结晶形核与长大过程进行非常困难的，所以大多数理论都是建立在对实验结果数据间接观察，个理论便很难解释枝晶形核与长大各种现象。
【学位授予单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG21

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