瞬态条件下焊接熔池多晶竞争生长机制与多相凝固相场研究

For the limitations of weld microstructure simulation under steady-state conditions and the deficiency of single-phase field model for directional solidification, this project proposes a high efficient solidification simulation method based on the theory of multi-phase field, dynamics and metallurgical mechanism during the transient solidification process of welding pool. The microstructure gained by this new technology gets closer to the actual weld. Project establishes the coupled multi- phase-field model under transient conditions and linear dynamic unstable model to solve the problems of transient temperature gradient, kinetic undercooling and non-directional dendrite growth changed with time and space. It reveals the first crystal, the secondary dendrite, the dendrite competitive growth kinetics and spacing selection mechanism among muliple crystals, the quantitative relationship between dendrite growth and multi-phase solidification under transient conditions. Project studies the evolution and influence between the macroscopic parameters and the microscopic dendrite growth.The algorithm of adaptive grid technology coupled with the dynamic adjustment of calculation domain is designed to realize the efficient simulation of microorganization. The models and methods have an important scientific significance to lay the theoretical and technical foundation for the development of microstructure solidification simulation technique and application of welding molten pool under transient conditions.

针对稳态条件焊接熔池微观组织模拟方法的局限和定向凝固单相场模型的不足，本项目基于多相场理论、动力学原理、冶金机理及枝晶生长观察，提出一种瞬态条件焊接熔池微观组织高效模拟方法，本方法模拟获得的微观组织更接近实际焊缝组织。在解决瞬态凝固过程中快速冷却、动力学过冷和枝晶非定向生长随时间与空间变化的关键科学问题基础上，构建瞬态条件多相场耦合模型和线性不稳定动力学模型；揭示瞬态条件下多枝晶间一次晶、二次枝晶动力学规律和枝晶竞争生长与间距选择机制；明晰多相凝固过程枝晶形态演变与多枝晶生长的定量关系；阐明宏观工艺参数对枝晶生长与演变的影响规律；设计自适应网格技术与计算区域动态调整相耦合的算法，实现微观组织的高效模拟。该模型和方法对瞬态条件下的凝固过程微观组织模拟技术的开发和工程应用奠定理论与技术基础，具有重要的科学意义。

本项目针对焊接熔池的凝固过程，构建了非等温多组分多相体系凝固全过程的定量相场模型，实现了多相形核和多相枝晶自由生长的定量模拟。通过在耦合系数和动力学系数中分别引入新的插值函数，实现了晶界能和动力学系数的控制，给出了随温度变化的薄界面极限条件关系式和数值求解过程参数调控策略，分析了该策略下数值求解过程的收敛性；使用动态自适应技术和MPI并行技术对二元多相定量凝固相场模型进行了程序化设计。提出了温度相关的薄界面极限条件和热噪声方程，实现了晶界能和界面动力学系数的调控，通过调整局部耦合系数（反比于形核能垒）模拟异质形核剂，动态随机地分配异质形核点等在相场模型中耦合形核过程，实现了多相凝固全过程定量模拟；在考虑晶界能对晶粒间凝并过程的影响作用基础上，构建了能够实现枝晶自由生长和晶粒凝并过程的二元稀溶液多晶凝固定量相场模型，通过相互作用系数可定量调控晶界能。在一维相场模拟中，该模型重现了尖锐界面模型中三种晶界不同的凝并行为。在二维相场模型中，证明了在界面宽度较大变化范围内，凝并路径和凝并温度变化较小，说明在凝并过程依然可以使用较大的界面宽度，实现了三种不同类型晶界（吸引型、中性型和排斥型）的晶界能的调控，研究表明：相场模拟中不同类型晶界的凝并行为特征与尖锐界面模型结果完全一致；对比分析了两种热裂纹敏感性评价模型（RDG模型和HCI指数），提出了结合凝并过程定量的多晶相场模型和RDG模型，通过提取凝固路径信息，研究了晶界能、晶粒间夹角、晶粒排布方式和热噪声对凝固热裂纹敏感性的影响。因此，本项目提出的凝固全过程定量相场模型和RDG模型不仅能够预测热裂纹的敏感性，还可以作为液相中是否产生空穴等缺陷的判据。