强制流动对小平面微观组织形成影响的相场法模拟及计算模型研究

强制流动对凝固微观组织形成的影响研究，在有效预测和主动控制材料的力学性能方面具有重要的意义。然而，以往的报道主要是有关于非小平面的研究，而关于流动对强各向异性值的小平面微观组织影响的研究则很少。本项目主要研究:(1)在Wulff理论和本课题组前期建立的小平面计算模型基础上，通过优化修正方案建立新的完整小平面相场模型；(2) 通过将流场与所建立的修正的小平面模型相耦合，首次建立强制流动下小平面枝晶生长的相场模型，并将其拓展到对流动下定向凝固界面的研究中，讨论相场参数对凝固微观组织形成的影响规律，对比分析流动对小平面和非小平面结构的影响差异；（3）在三维空间下建立强制流动下小平面的纯物质模型，对比分析不同相场参数下二维和三维空间的小平面微观组织形成规律的异同。通过本项目的研究可望在理论上揭示流动对小平面微观组织的影响机理，为优化半导体材料的性能提供一定的理论依据。

强制流动对凝固微观组织形成的影响研究，在有效预测和主动控制材料的力学性能方面具有重要的意义。本研究主要从小平面模型的建立，数值模拟结果，研究了小平面枝晶生长、定向凝固界面形貌的演化及纳米结构初探几个方面的内容。(1)建立了完整枝晶生长的修正相场模型，推导出了强制流动条件下的小平面相场模型。获得了纯物质的枝晶生长形貌，结果表明：随着各向异性γ的增大，小平面的生长速度在γ≤0.10的范围内逐渐增大，当γ﹥0.10时则逐渐趋于饱和值；随着过冷度的增大，尖端生长速度逐渐增大，且强各向异性下的晶核由无晶臂的小平面逐渐转变为小平面枝晶形式生长。模拟了强制流动条件下纯物质以及二元合金的枝晶生长形貌。结果表明：随着流速的增大，枝晶形貌的不对称性加剧，上游枝晶臂生长得到促进变得粗大，下游臂和垂直臂受到抑制减小，垂直臂向迎流方向一侧倾斜生长；随着各向异性值增大，小平面枝晶的上游臂和下游臂方向的尖端相对稳态生长速度均逐渐递减，垂直臂的则呈递增趋势，但是小平面的各枝晶臂生长速度最终趋于饱和；随着过冷度的增大，不同方向的枝晶臂尖端的生长速度逐渐增加。将水平向右和垂直向上的强制流动叠加后获得了复合流动，研究表明：枝晶形貌受晶轴与水平方向的夹角φ0的影响较大。(2)采用温度冻结近似，模拟了流动条件下二元合金定向凝固过程的界面形貌，分析了流速的大小、抽拉速度和温度梯度下的定向凝固界面演变模式。结果表明：在无流动条件下，随着抽拉速度的增大，定向凝固界面从平界面→深胞→浅胞→平界面演化，一次胞晶间距呈指数形式减小；随着温度梯度的增大，定向凝固界面从深胞→浅胞→平界面转变。当加入强制流动后，凝固界面变得倾斜生长。随着强制流速的增大，胞晶形貌增大，沟槽的倾斜深度也逐渐增大，并且胞晶间的深度差别增大，界面形貌及胞晶的一次间距均发生明显改变。研究了镁基合金材料的各向异性强度和过饱和度对枝晶尖端的生长速度、尖端曲率半径、Péclet数及稳定性常数σ*的影响。二维和三维管道中镁合金的凝固现象，探讨了二维海藻晶的尖端辟裂机制。(3)通过纳米结构的研究，采用单步法制备了系列具有微纳米结构的不同超疏表面，为研究纳米尺度下的晶体相场法奠定了基础，通过研究四颗粒间的竞争生长形成位错的关系，偶极子的计算以及描绘出石墨烯在不同衬底表面形成莫尔条纹的相图等研究，为深入研究小平面提供了方法保障。