Page 86 - 数值模拟驱动的高温合金热加工技术

Numerical Simulation Driven Hot Working Technology for High-temperature Alloys
数值模拟驱动的高温合金热加工技术

第二节 凝固过程微观组织演变的相场模拟

一、定向凝固微观组织相场法模拟

定向凝固过程是一个涉及高温、合金相变和熔体与衬体材料相互作用的复杂
过程。如何准确地获取凝固过程中液、固相的温度场，特别是固 / 液界面的温度
梯度和凝固速度，以确定金属凝固特性与外部控制参数之间的定量关系，对于定

向凝固过程的精确控制具有重要的影响。随着计算机技术的发展，数值模拟为定
向凝固过程的研究开拓了新的空间，通过对定向凝固微观组织的形成规律进行模
拟，进而实现对铸件的力学性能、物理性能的预测，获得工艺参数与组织演变的
定量关系，为通过工艺控制改善定向凝固组织提供可靠的依据。目前，凝固过程
微观组织数值模拟的方法主要有：确定性方法（Determinstic method）、随机方

法（Stochastic method）及相场法（Phase-field method）。相场法的原理是通过引
入相场变量，将凝固过程中的微观和宏观的尺度结合起来，避免了跟踪固 / 液界
面的困难，从而直接模拟流场等外场作用下的枝晶生长形貌和生长过程，可以定

量地研究流场速度、过冷度、各向异性强度和不同的择优取向等因素对枝晶生长
形貌的影响。因此，相场法是凝固组织模拟中最有潜力的方法之一，已成为凝固
组织研究领域的热点。
（一）相场法模拟的研究进展

1. 国内相场法模拟的研究进展
我国的铸造凝固模拟起步较晚，但发展迅速。近年来，清华大学、东北大学、
兰州理工大学、西北工业大学等高校都围绕微观组织模拟开展了相应的研究工作，
并取得丰富的研究成果。2000 年，东北大学的张玉妥率先采用相场法初步模拟

了纯物质等轴晶生长。哈尔滨工业大学的 Guo 等采用相场法模拟了 Ti 55 Al 45 二元
合金定向凝固固液界面形态的演变过程，同时还对溶质截留效应进行了研究。南
昌航空工业学院庄建平等利用二元合金相场模型与溶质场进行耦合计算，模拟了
Al-4.5%Cu 合金的定向凝固枝晶生长过程，研究了不同过冷度下二元合金过冷熔
体定向凝固时枝晶的演化过程及其溶质场的分布情况。

西北工业大学的郭春文等采用相场法数值模拟研究了随机噪声和外加周期扰
动两种条件下的定向凝固枝晶侧向分枝演化行为，分析了侧向分枝波包的行为特

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