非平衡凝固的弥散界面建模与数值模拟研究

随着非平衡凝固技术的迅速发展，材料制备过程中的非平衡性大大提高。建立完善的非平衡凝固模型，数值模拟工程实践中难以直接观测的非平衡凝固的微观过程，探索其本质规律及物理机制，对进一步充实凝固理论和提高凝固技术有着不可估量的作用。凝固始于形核，形核导致固液界面的出现，界面迁移及其形貌演化决定着材料的最终微结构。完善的固液界面建模对于凝固研究的深入至关重要。本项目彻底消除现有模型广泛采用的忽略界面厚度的尖锐界面假设，进行真正符合物理意义的弥散界面建模；基于弥散界面建立过冷合金熔体非平衡凝固数值系列模型，包括传输动力学、界面动力学、界面稳定性与枝晶凝固模型；建立相应的数值模拟方法，利用其进行实验数据比较、模型测试、规律探索及机制分析；将模型软件化并应用于微米级均匀合金液滴无容器凝固的微观过程数值模拟研究。本项目将从更深层次上加深人们对非平衡凝固微观过程的理解，为工程实践中凝固过程控制奠定理论基础。

本项目聚焦固液界面并综合考虑了界面厚度（弥散界面）、非稀释合金、溶质扩散的非平衡性（弛豫效应）以及非平界面所导致的界面各向异性等因素对凝固过程的耦合影响。建立了过冷合金熔体非平衡凝固数值系列模型，包括可用于非稀释合金的自由枝晶凝固模型、考虑了弥散界面和弛豫效应耦合影响的传输动力学模型、适用于非平界面的溶质截留模型、考虑了界面非等温、非等溶质特性的二元合金自由枝晶生长模型；并将所建立的模型软件化开发了微米级合金液滴无容器凝固微观过程数值模拟软件。在本项目的支持下，我们在Acta Materialia、Metallurgical and Materials Transactions A等国际期刊现已发表学术论文5篇，授权软件著作权2项。本项目将从更深层次上加深人们对非平衡凝固微观过程的理解，为工程实践中凝固过程控制奠定理论基础。