搅拌条件下半固态球晶组织演化机制的相场法模拟

半固态加工技术被誉为二十一世纪最有发展前景的近净成形技术。深刻理解半固态球晶组织的演化机制是半固态加工技术的关键基础问题。由于合金的不透明性，限制了人们对半固态组织演化过程进行直接研究，而采用丁二睛-水透明模型材料又无法观察到演化过程中的一些微观现象。相场模型的发展为解决该问题提供了可能。本项目采用耦合温度场、溶质场和流场等外场的相场模型，系统研究搅拌条件下半固态合金球晶组织的演化机制。以搅拌产生的强迫对流为主线，通过建立搅拌条件下熔体的温度场、溶质场、速度场以及初生固相的旋转与微观组织演变的关系，研究不同搅拌条件下微观组织的形貌及其动力学规律，实现合金初生组织由树枝状到蔷薇状，再到球状演变过程的模拟，探索搅拌条件下半固态合金球晶组织的形成和生长机制及其固－液界面的稳定性，揭示搅拌条件下半固态球晶组织演化过程的微观机制，为半固态合金加工技术的进一步发展奠定理论基础。

本项目建立了耦合温度场、溶质场和流场等外场的二元合金和多元合金相场模型。采用采用基于同位网格的Simple算法求解流场控制方程，解决了因压力所带来的流场求解难题；用显式有限差分法同时求解相场和溶质控制方程；用交替方向隐式差分法（ADI）求解温度控制方程。研究了流速、过冷度、扰动和各向异性等对枝晶组织生长过程的影响规律。基于四叉树网格技术，实现有限差分的自适应网格，优化了相场方程的数值计算。以通过旋转流场和枝晶的自旋转来模拟搅拌产生的强迫对流与枝晶之间的相对运动，实现了合金组织由树枝晶到蔷薇状，再到球状的演变过程的模拟，获得了形成半固态球晶初生组织的对流条件。模拟研究了不同工艺条件下半固态初生组织生长过程中温度场、溶质场的分布规律；通过对温度场和溶质场的定量分析研究了相关参数对初生组织固－液界面稳定性的影响。并通过搅拌铸造制备半固态组织实验和凝固理论相结合验证了模拟的合理性，初步揭示搅拌条件下半固态球晶组织演化过程的微观机制。