多元多相合金凝固过程微观组织相场模型及试验研究

合金材料的性能是由材料的微观组织结构决定的，研究合金的凝固过程、组织与性能间的关系，探索凝固组织的形成规律和控制方法是提高材料性能的有效途径。本项目基于多元合金单相凝固相场模型和二元合金共晶凝固相场模型，引入界面场，解决多相竞争生长、不同相组织相互影响等关键问题，建立多元合金多相系统凝固过程的相场模型；以耐磨耐蚀模具用高铝青铜合金为例，使用计算相图软件、耦合热力学数据库，进行数值求解和相关程序的编制，对其微观组织的连续演化过程进行模拟计算，探索多元合金微观组织的演化机制，由材料成分、结构及制备参数的最佳组合进行材料设计。将模拟结果与晶体生长经典理论及实验结果对比分析，以验证模拟结果的可靠性，同时完善和改进计算模型。达到深入理解凝固组织形成机理，最终实现预测铸件的凝固微观组织和机械性能的目的，同时为新型合金材料的设计提供一个有效的途径。本研究属新材料的研究前沿，具有重要的科学与工程意义。

基于二元合金多相共晶模型以及单相系统多元合金多晶粒的生长模型，考虑合金系统的热力学和动力学及多相竞争生长等因素，分别采用稀释溶液近似法和规则溶液法建立了耦合溶质场、流动场、温度场等外场的多元多相合金相场模型；将相场模型与Lattice Boltzmann(LBM)算法、Sola算法、SIMPLE算法等相耦合，分别建立了模拟在强迫对流状态下枝晶生长的相场-LBM模型(PF-LBM)、相场-SIMPLE模型、相场-Sola模型；应用界面能的校正形式，建立了二元合金小晶面（faceted）枝晶生长的相场模型。.通过对所建相场模型进行数理解析，研究采用CUDA＋GPU 软硬件体系结构、自适应有限元方法、基于MPI的并行系统结构等高性能计算方法来降低计算复杂度和计算量，解决多场耦合相场模型模拟计算中面临的多尺度、传统的基于均匀网格的有限差分方法在求解三维相场时出现内存需求容量大进而导致的计算规模小、计算效率低、求解精度低等问题，真正实现了较大尺度模拟三维枝晶的生长。.以Ni-Cu-X、Al-Cu-X多元合金、高纯丁二腈(SCN)等为例进行具体物理过程的仿真，通过数值求解和相关程序的编制，对其微观组织的连续演化过程进行较大尺度地模拟计算，研究多元多相合金的凝固过程和微观组织的演化机制，并分析研究流动场等外场与相场间的相互影响；研究了过冷熔体层流速度、流动法向一次枝晶臂偏转角度和枝晶尖端生长速度间的关系；推导枝晶尖端前沿熔体流动速度值与枝晶生长时间的理论表达式。.对Si-Ni二元合金小晶面枝晶生长进行了模拟，当各向异性强度系数超过临界值υ＝1/15时，枝晶生长表现出小晶面生长形态，尖端曲率效应消失，呈现出棱角状的不连续结构；同时在枝晶主枝上产生大量侧向分支。通过实验观察验证了小晶面枝晶生长相场模型的有效性。.在理论分析的基础上，进行综合分析与对比研究，将模拟结果与晶体生长经典理论及实验结果对比分析，以验证模拟结果的可靠性，同时完善和改进计算模型，并评价模型和算法的有效性。