微重力环境下Al-Cu-X多元合金凝固过程数值模拟及实验验证

随着航天技术的发展，空间应用基础研究也取得了重大进展。由于在微重力条件下材料制备过程的特殊性，空间材料科学成为目前国际上比较活跃的研究领域。本项目基于二元合金多相场模型及单相系统多元合金模型，结合热力学的分析计算和传热传质分析，充分考虑微重力场等对凝固晶体生长的影响，建立多元合金微重力环境下凝固过程相场模型。结合典型Al-Cu-Ni-Mg合金进行数值求解和相关程序开发，研究合理高效的相场模型计算方法，对微观组织的连续演化过程进行模拟仿真，研究微重力环境下Al初生晶及二元共晶体(Al+Al3Ni)或三元共晶体(Al+T+Al2Cu)形态分布，探索其初生晶和共晶组织演化机制。为了验证模拟结果的可靠性，将其与晶体生长的经典理论进行比较分析；同时利用落管实验，将模拟结果与同条件下的实验结果对比分析，以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。

本项目在三年研究中，完成了项目申请所设计的各项研究内容，发表学术论文１６篇，其中SCI收录7篇，EI收录8篇，ISTP收录1篇；培养博士2人，硕士10人；项目所拨付款项使用恰当。.本研究基于纯物质过冷熔体凝固过程，在考虑熔体流动条件下，建立了模拟过冷熔体在强对流状态下枝晶生长的Sola-相场模型（S-PFM），成功求解了相场模型与N－S方程的耦合计算。将纯物质枝晶生长相场模型拓展至二元合金，对Al基、Ni基二元合金在对流作用下的凝固行为进行了模拟研究，讨论了对流速度对枝晶生长行为及溶质分布的影响，研究了多个晶粒作用下的竞争生长行为；此外，还研究了凝固以及枝晶生长对熔体流动的影响，表明熔体的流动和枝晶生长之间存在相互的影响行为，为深入理解金属凝固机理创造性的开辟了条件。采用稀释溶液近似法建立多元合金多晶粒生长相场模型，对Al基、Fe基多元合金深过冷凝固条件下生长形态及溶质分布进行了模拟，并通过设定随机取向因子获取在固定区域内多个晶粒的竞争生长，使得模拟结果更接近于工程材料实际凝固形貌。通过考虑凝固过程固/液相的密度差异建立固相晶粒在重力作用下的运动方程与相场控制方程之间的关联关系，获得重力场条件下枝晶生长相场模型，对模型的适用性及可解性进行了研究。对相场法模拟结果的有效性进行了定性的验证研究，结果表明，相场法模拟枝晶生长形态在局部区域得到较好的验证；要使相场法模拟结果指导生产实践，需要在考虑凝固相场、温度场、流场及外场作用下进行宏微观的大规模集成化模拟。