二元合金等温凝固过程的相场模型

龙文元; 蔡启舟; 陈立亮; 魏伯康

doi:10.7498/aps.54.256

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二元合金等温凝固过程的相场模型

龙文元 , 蔡启舟 , 陈立亮 , 魏伯康

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凝聚物质：结构、热学和力学性质

二元合金等温凝固过程的相场模型

龙文元, 蔡启舟, 陈立亮, 魏伯康

物理学报, 2005, 54(1): 256-262.

doi: 10.7498/aps.54.256

Phase-field modeling of isothermal solidification in binary alloy

Long Wen-Yuan, Cai Qi-Zhou, Chen Li-Liang, Wei Bo-Kang

Acta Phys. Sin., 2005, 54(1): 256-262.

doi: 10.7498/aps.54.256

摘要
基于Ginzberg-Landau理论，发展了一个与WBM模型和KKS模型一致的新相场模型.并利用该相场模型与溶质场耦合计算，以Al-65%Cu合金为例模拟了不同过冷度条件下，二元合金凝固过程的等轴枝晶生长过程.研究过冷度对二元合金等温凝固过程的等轴枝晶生长以及溶质场分布的影响.结果表明：随着过冷度的增大，枝晶的二次枝晶更加发达，浓度Peclet数和枝晶尖端的生长速率增大，而枝晶尖端的曲率半径减小，枝晶前沿的溶质富集现象也更严重；另外，计算结果与Ivantsov理论符合较好.

关键词:
相场法 /

枝晶生长 /

溶质场 /

Ivantsov理论
Abstract
A new phase-field model is developed based on the Ginzberg-Landau theory, which is consistent with WBM model and KKS model. The dendritic growth process during the solidification in a Al-65%Cu binary alloy was simulated using the phase-field model. Solute diffusion equation was solved simultaneously. The effects of undercooling on the dendritic growth and solute profile in isothermal solidification of binary alloy were investigated. The results indicate that the dendritic has well-developed secondary arms with the increase of undercooling. Correspondently, the solute Peclet number and the tip speed increases, the tip radius decreases, and the solute segregation in solid-liquid interface increases. The results agree well with Ivantsov theory.

Keywords:
phase-field method /

dendritic growth /

solute profile /

Ivantsov theory
作者及机构信息
龙文元²,

蔡启舟¹,

陈立亮¹,

魏伯康¹

(1)华中科技大学材料科学与工程学院模具技术国家重点实验室,武汉 430074; (2)华中科技大学材料科学与工程学院模具技术国家重点实验室,武汉 430074;南昌航空工业学院材料科学与工程系,南昌 330034

基金项目: 国家自然科学基金(批准号：10176009)及江西省材料科学与工程研究中心开放基金(批准号：ZX200301017)资助的课题.
Authors and contacts
Long Wen-Yuan²,

Cai Qi-Zhou¹,

Chen Li-Liang¹,

Wei Bo-Kang¹

(1)华中科技大学材料科学与工程学院模具技术国家重点实验室,武汉 430074; (2)华中科技大学材料科学与工程学院模具技术国家重点实验室,武汉 430074;南昌航空工业学院材料科学与工程系,南昌 330034
参考文献

施引文献

[1]	楚硕, 郭春文, 王志军, 李俊杰, 王锦程. 浓度相关的扩散系数对定向凝固枝晶生长的影响. 物理学报, 2019, 68(16): 166401. doi: 10.7498/aps.68.20190603
[2]	李路远, 阮莹, 魏炳波. 液态三元Fe-Cr-Ni合金中快速枝晶生长与溶质分布规律. 物理学报, 2018, 67(14): 146101. doi: 10.7498/aps.67.20180062
[3]	张军, 陈文雄, 郑成武, 李殿中. γ-α相变中不同晶界特征下铁素体生长形貌的相场模拟. 物理学报, 2017, 66(7): 070701. doi: 10.7498/aps.66.070701
[4]	段培培, 邢辉, 陈志, 郝冠华, 王碧涵, 金克新. 镁基合金自由枝晶生长的相场模拟研究. 物理学报, 2015, 64(6): 060201. doi: 10.7498/aps.64.060201
[5]	王雅琴, 王锦程, 李俊杰. 定向倾斜枝晶生长规律及竞争行为的相场法研究. 物理学报, 2012, 61(11): 118103. doi: 10.7498/aps.61.118103
[6]	潘诗琰, 朱鸣芳. 双边扩散枝晶生长的定量相场模型. 物理学报, 2012, 61(22): 228102. doi: 10.7498/aps.61.228102
[7]	魏承炀, 李赛毅. 温度梯度对晶粒生长行为影响的相场模拟. 物理学报, 2011, 60(10): 100701. doi: 10.7498/aps.60.100701
[8]	张宪刚, 宗亚平, 王明涛, 吴艳. 晶粒生长演变相场法模拟界面表达的物理模型. 物理学报, 2011, 60(6): 068201. doi: 10.7498/aps.60.068201
[9]	王明光, 赵宇宏, 任娟娜, 穆彦青, 王伟, 杨伟明, 李爱红, 葛洪浩, 侯华. 相场法模拟NiCu合金非等温凝固枝晶生长. 物理学报, 2011, 60(4): 040507. doi: 10.7498/aps.60.040507
[10]	朱昌盛, 王军伟, 王智平, 冯力. 受迫流动下的枝晶生长相场法模拟研究. 物理学报, 2010, 59(10): 7417-7423. doi: 10.7498/aps.59.7417
[11]	宗亚平, 王明涛, 郭巍. 再结晶和外力场下第二相析出的相场法模拟. 物理学报, 2009, 58(13): 161-S168. doi: 10.7498/aps.58.161
[12]	朱昌盛, 冯力, 王智平, 肖荣振. 三维枝晶生长的相场法数值模拟研究. 物理学报, 2009, 58(11): 8055-8061. doi: 10.7498/aps.58.8055
[13]	龙文元, 吕冬兰, 夏春, 潘美满, 蔡启舟, 陈立亮. 强迫对流影响二元合金非等温凝固枝晶生长的相场法模拟. 物理学报, 2009, 58(11): 7802-7808. doi: 10.7498/aps.58.7802
[14]	冯力, 王智平, 路阳, 朱昌盛. 二元合金多晶粒的枝晶生长的等温相场模型. 物理学报, 2008, 57(2): 1084-1090. doi: 10.7498/aps.57.1084
[15]	陈玉娟, 陈长乐. 相场法模拟对流速度对上游枝晶生长的影响. 物理学报, 2008, 57(7): 4585-4589. doi: 10.7498/aps.57.4585
[16]	李俊杰, 王锦程, 许泉, 杨根仓. 外来夹杂物颗粒对枝晶生长形态影响的相场法研究. 物理学报, 2007, 56(3): 1514-1519. doi: 10.7498/aps.56.1514
[17]	路阳, 王帆, 朱昌盛, 王智平. 等温凝固多晶粒生长相场法模拟. 物理学报, 2006, 55(2): 780-785. doi: 10.7498/aps.55.780
[18]	龙文元, 蔡启舟, 魏伯康, 陈立亮. 相场法模拟多元合金过冷熔体中的枝晶生长. 物理学报, 2006, 55(3): 1341-1345. doi: 10.7498/aps.55.1341
[19]	杨弘, 张清光, 陈民. 热扰动对过冷熔体中二次枝晶生长影响的相场法模拟. 物理学报, 2005, 54(8): 3740-3744. doi: 10.7498/aps.54.3740
[20]	于艳梅, 杨根仓, 赵达文, 吕衣礼, A. KARMA, C. BECKERMANN. 过冷熔体中枝晶生长的相场法数值模拟. 物理学报, 2001, 50(12): 2423-2428. doi: 10.7498/aps.50.2423

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物理学报. 2005, 54(1): 256-262.

doi: 10.7498/aps.54.256.

凝聚物质：结构、热学和力学性质

二元合金等温凝固过程的相场模型

1. (1)华中科技大学材料科学与工程学院模具技术国家重点实验室,武汉 430074; (2)华中科技大学材料科学与工程学院模具技术国家重点实验室,武汉 430074;南昌航空工业学院材料科学与工程系,南昌 330034

基金项目: 国家自然科学基金(批准号：10176009)及江西省材料科学与工程研究中心开放基金(批准号：ZX200301017)资助的课题.

收稿日期: 2003-12-17
修回日期: 2004-04-27
刊出日期: 2005-01-19

摘要: 基于Ginzberg-Landau理论，发展了一个与WBM模型和KKS模型一致的新相场模型.并利用该相场模型与溶质场耦合计算，以Al-65%Cu合金为例模拟了不同过冷度条件下，二元合金凝固过程的等轴枝晶生长过程.研究过冷度对二元合金等温凝固过程的等轴枝晶生长以及溶质场分布的影响.结果表明：随着过冷度的增大，枝晶的二次枝晶更加发达，浓度Peclet数和枝晶尖端的生长速率增大，而枝晶尖端的曲率半径减小，枝晶前沿的溶质富集现象也更严重；另外，计算结果与Ivantsov理论符合较好.

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作者及机构信息

(1)华中科技大学材料科学与工程学院模具技术国家重点实验室,武汉 430074; (2)华中科技大学材料科学与工程学院模具技术国家重点实验室,武汉 430074;南昌航空工业学院材料科学与工程系,南昌 330034

Authors and contacts

(1)华中科技大学材料科学与工程学院模具技术国家重点实验室,武汉 430074; (2)华中科技大学材料科学与工程学院模具技术国家重点实验室,武汉 430074;南昌航空工业学院材料科学与工程系,南昌 330034

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1.
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Phase-field modeling of isothermal solidification in binary alloy

1. (1)华中科技大学材料科学与工程学院模具技术国家重点实验室,武汉 430074; (2)华中科技大学材料科学与工程学院模具技术国家重点实验室,武汉 430074;南昌航空工业学院材料科学与工程系,南昌 330034

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