多场耦合的多元合金凝固过程相场法模拟

【摘要】计算机模拟研究可模拟合金凝固微观组织的形成过程,预测铸件的性能和使用寿命,为生产提供合理的工艺,提高合金的凝固质量。本文在KKS相场模型的基础上,耦合流场,采用LBM算法离散流场控制方程,建立了LBM-PF模型,并以Al-Cu系列合金为例进行了模拟研究。(1)采用LBM-PF模型模拟了强迫层流作用下Al-Cu二元合金等温凝固和非等温凝固时单晶和多晶的生长过程。结果表明：与纯扩散枝晶凝固相比,流体的流动改变了溶质、热量的分布,使枝晶生长呈现非对称性；随着流速的增加,枝晶非对称性越来越明显,下游部位的涡流越来越大,从而促进了下游枝晶的生长,流速的增加还使得固液界面向过冷熔体内的迁移速度以及枝晶尖端曲率半径增大,枝晶界面的稳定性被打破,枝晶臂间距离缩小,界面变的凹凸不平,形貌各异,这与M-S失稳理论相吻合；非等温凝固时的二次枝晶较等温凝固时发达,凝固潜热的释放使得热过冷度降低,枝晶尖端曲率半径增大,主枝晶的生长受到抑制；多晶凝固过程中,在枝晶生长初期,由于晶粒间距离较远,未产生相互影响,各晶粒独立生长；随着枝晶的长大,晶粒间距离逐渐缩小,溶质扩散层和温度扩散层相互接触,各晶粒产生相互影响,生长受到限制。(2)模拟了Al-Cu-Mg三元合金流场作用下等温凝固和非等温凝固时单晶和多晶的枝晶生长过程。结果表明：在等温凝固枝晶生长过程中,由于Mg的扩散系数大于Cu的扩散系数,Mg的分布较Cu均匀,随着枝晶生长,下游区域涡流越来越大,涡流将下游界面前沿积聚的溶质带到远离枝晶的区域,枝晶生长加快,甚至超过上游枝晶生长速度；在非等温凝固时,潜热的释放和温度梯度的存在影响了原子的热运动,改变了溶质的再分配；多晶粒的模拟结果与Al-Cu二元合金多晶粒模拟结果类似。
【作者】安灵敏；
【导师】路阳；
【作者基本信息】兰州理工大学，材料加工工程，2014，硕士
【关键词】相场法；多元合金；LBM-PF模型；凝固；多晶粒；

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