合金凝固多晶粒竞争生长机制的相场法模拟研究

For the current phase-field simulation studies of alloy solidification microstructure, most studies concentrate on the three-dimensional simulation for a single grain growth and the two-dimensional simulation for grain growth. If phase-field simulation study need to characterize the alloy solidification microstructure morphology accurately, it is necessary to study on the three-dimensional simulation of multiple grains microstructure for alloy solidification. In this project, based on the three-dimensional phase-field model of single-phase system and a single dendrite growth for multicomponent alloy, phase-field equation is re-described and interfacial free energy anisotropy expression which can characterize multiple grains’ competition growth is established, and the interfacial free energy anisotropy function is employed as an independent variable to derive interface field controlling equation to control multiple grains’ growth with different optimal orientations, and then a three-dimensional phase-field model of single-phase system and multiple grains’ competition growth for multicomponent alloy is established. In order to expand the simulation scale, the numerical computation method of domain division and sequential computation is designed. Taking Al-2mol%Cu binary alloy and Al-Cu-Mg multicomponent alloy for example, the evolution process of alloy solidification microstructure is simulated, and the influence rule of the interfacial free energy anisotropy in alloy solidification process on solid-liquid interface evolution about multiple grains’ competition growth is analyzed. The research of this project not only can help us understand the formation mechanism of the solidification structure in depth, but also can lay the foundation for quantitative simulation of microstructure, to improve the practicability of phase-field method simulation.

目前的合金凝固微观组织相场法模拟研究，大多集中在单个晶粒生长的三维模拟研究和晶粒生长的二维模拟研究上。相场法模拟研究若要准确地表征合金凝固微观组织形貌，需要进行合金凝固多晶粒微观组织的三维模拟研究。本项目基于单相系统多元合金单个枝晶生长的三维相场模型，重新描述相场控制方程，建立可以描述多个晶粒竞争生长界面的界面自由能各向异性方程，以界面自由能各向异性函数为自变量推导界面场控制方程来控制多个晶粒不同最优取向生长，建立一个单相系多元合金多晶粒竞争生长的三维相场模型。为扩大模型模拟计算的尺度，设计分区域顺序计算的相场模型数值计算方法；以Al-2mol%Cu二元合金和Al-Cu-Mg多元合金为例，模拟合金凝固微观组织的演化过程。分析合金凝固过程中界面自由能各向异性对多个晶粒竞争生长固液界面演化的影响规律。本项目的研究不仅有助于深入理解凝固微观组织形成机制，还可以为凝固微观组织的定量模拟打下基础。

基于单相系统多元合金单个枝晶生长的三维相场模型，重新描述相场控制方程，建立可以描述多个晶粒竞争生长界面的界面自由能各向异性方程。以界面自由能各向异性函数为自变量推导界面场控制方程来控制多个晶粒不同最优取向生长，建立单相系多元合金多晶粒竞争生长的三维相场模型。为扩大模型模拟计算的尺度，设计分区域顺序计算的相场模型数值并行计算方法。以铝铜合金为例，模拟了较大尺度的合金凝固微观组织演化过程，研究凝固过程中多晶粒竞争生长机制与晶粒取向对不同竞争方式下枝晶竞争生长的影响，并将模拟结果和实验测得的数据进行定量比较。研究发现等轴树枝晶竞争生长分为两种类型：（1）在竞争生长过程中，不同晶粒上参与竞争的主枝尖端在其自身最优生长方向上停止生长。此类型的枝晶分为两种情况，竞争没有分出优劣时，参与竞争的晶粒主枝停止自身最优生长方向上的生长，竞争平面生长变大；竞争分出优劣时，竞争优势的晶粒主枝越过阻碍其生长的晶粒，继续向其自身的最优生长方向上生长；竞争劣势的晶粒主枝停止其最优生长方向上的生长，转向没有阻碍的区域生长。（2）在竞争生长过程中，不同晶粒上参与竞争的主枝尖端在其自身最优生长方向上没有停止生长。此类型的枝晶，主枝形貌发生变形，变形从不同的视角上观察其表象为偏转和弯曲。.另外，建立耦合流场的三维合金枝晶生长和共晶转变的PF-LBM模型，提出PF-LBM模型的并行计算方法，模拟研究液体流动对材料微观组织形貌与性能的影响。研究发现，随着液态金属流速的不断增大，共晶层片生长速度加快及迎流生长越明显，其生长形貌分别为：垂直于固液界面对称性的振荡态→倾斜于逆流生长及振荡态的不稳定→振荡、逆流生长及共晶层片前沿异相形核。上述研究成果有助于深入理解凝固微观组织形成机制，为凝固微观组织的定量模拟打下基础。