合金凝固过程枝晶在外力作用下的生长和破碎的研究

During the solidification of metallic alloys, application of external forces like mechanical and electromagnetic stirring, ultrasound and thermal shock can directly cause massive break-up of the existing dendritic structure, consequently lead to small but homogenized microstructures, and finally raise the property and performance of the casting product.For the mechanism that determines the dendrite break-up or fragmentation, however there remains high controversy in the current literature. The purpose of the current project is to remove such controversy through developing a reliable, direct scientific theory or mathematical and physical model so that the specific role and influence of these external forces on the dendrite fragmentation can be interpreted accurately. Besides, the influence of the fragmentation on the final microstructure and performance of the casting can thus be quantitatively answered. For mathematical modeling, the phase field method will be employed and a thermo-solutal-convective phase field model will be developed. Related governing equations will be solved using accurate and highly efficient parallel nummerical algorithms aiming at investigating the multi-dendrite growth,morphology evolution and fragmentation process under external forces. On the other hand, to validate the developed mathematical model and fragmentation theory, the high brilliance X-radiation synchrotron imaging techniques will be used for in-situ observation of the dendrite growth and break-up of metallic alloys during solidification.At the later stage of this project, a physical experimental apparatus will be built to test the developed fragmentation theory on a 1-2 kg casting and prepared for practial application in industry.

在金属的凝固过程中，外力（机械、电磁搅拌、超声以及热冲击等）的作用可以使得生成的树枝晶大量的破碎，从而产生均匀的、细小的微观组织，最终极大地提高铸件的质量和性能。而对于各种外力对枝晶破碎的影响机制，在现有研究中则存在很多的争议。本项目的研究目标则是为了解决这些已有的争议，建立一套可靠的、直接的科学理论或数学、物理模型从而可以很准确地解释以及预测这些因素在枝晶破碎过程的作用，同时定量描述这种破碎对最终铸件的组织以及性能的影响作用。在数学模型方面，本项目采用相场方法，建立热-溶质-对流耦合的相场模型，同时开发准确、高效的并行算法，求解多枝晶在不同外力场情况下的生长以及破碎状态；在实验方面采用高强度X射线同步辐射技术观察金属合金凝固过程中枝晶生长以及破碎过程，验证相关模型和破碎理论。最终建立相关的物理实验装置用于测试外力对1-2kg实际铸件的枝晶破碎过程，为在工业上合理有效地应用该技术奠定基础。

在金属合金的凝固过程中，外力的作用可以使生成的枝晶大量的破碎，从而产生均匀的、细小的微观组织，极大地提高铸件的质量和性能。而对于各种外力对枝晶破碎的影响机制，在现有研究中则存在很多的争议。本项目的研究目标则是为了解决这些已有的争议，建立一套准确的科学理论或数学、物理模型从而可以很准确地解释以及预测这些因素在枝晶破碎过程的作用，定量描述这种破碎对最终铸件的组织以及性能的影响。在本项目中，我们采用X射线同步辐射技术和相场模拟相结合的方式来研究凝固过程的枝晶破碎现象。.在实验方面，设计并建立了用于原位观察金属合金凝固过程的实验测试平台。针对X射线影像和断层扫描技术建立了两套实验装置，主要考虑外力作用的加载和凝固过程温度的控制。基于这些实验装置和测试平台，在上海光源、英国Diamond光源、瑞士PSI和法国ESRF开展了多次X射线同步辐射实验。针对Al-Cu和Mg-Al合金等开展了大量的原位观察实验，获得了广泛和充实的实验数据，为揭示枝晶生长和破碎过程奠定了坚实的基础。在X射线实验方面，课题组进行的多个工作都具有很强的开拓性前沿性，特别是首次开发并开展了外力作用下枝晶生长原位观察实验和首次开发并开展了镁合金枝晶生长的断层扫描实验等。.在相场模拟方面，建立了模拟枝晶生长的多尺度相场模型，耦合了溶质场、温度场和流场，同时开发了高效求解耦合方程的并行-多重网格算法，计算了枝晶在不同冷却速度和外力作用下的生长状态，结合X射线同步辐射实验结果，预测了晶体破碎的位置，从概率的角度上统计了枝晶破碎的数量，提出了枝晶破碎的“弱节”理论，解释了外力作用下枝晶破碎的主要机制在于局部熔点下降而导致的断裂。产生这种现象的主要方式包括两点，一是枝晶快速生长导致的局部特征长度减小而引发的曲率熔断效应，二是外力作用下枝晶内部应力增加导致体系自由能升高而引起的局部熔点下降。.在项目进行的后期又开发了精度更高的三维相场模型以及用于快速求解相场模型的并行-局部加密-多重网格算法（Para-AMR-MG），采用该模型研究了各种情况下枝晶的生长形态并和现有理论和X射线同步辐射实验结果进行对比，获得重要的研究发现。所开发的针对三维相场模型的并行-局部加密-多重网格算法使原有计算效率提高了3个数量级，大大加快了计算速度，解决了相场领域一直存在的计算速度严重滞后的问题，该算法在计算效率上处于世界领先水平。