Page 87 - 数值模拟驱动的高温合金热加工技术

第三章 铸造凝固过程模拟与缺陷控制

点、侧向分枝的生成频率和侧向分枝振幅大小的变化规律。王锦程等采用 B-S 相
场模型研究了二元合金定向凝固过程中抽拉速度和温度梯度两种凝固参数对界面
形态演化、溶质分布、溶质截留及界面稳定性的影响，随抽拉速度和温度梯度的

变化凝固界面形态呈现由深胞—浅胞—平界面的演变规律。陈志等利用相场法对
Ni-Cu 合金的定向凝固过程进行了数值模拟，研究了有 / 无强制流动下的凝固界
面形貌变化，在强制流动的作用下，凝固界面向迎流方向倾斜生长；随着强制流
速的增大，胞晶增大，沟槽的倾斜深度也逐渐增大。西安交通大学的李梅娥等利

用相场法对二元合金高速定向凝固时平界面失稳、界面形态演化以及溶质浓度分
布进行了模拟，得到了不同抽拉速度下胞晶间距、胞晶尖端温度以及有效溶质分
配系数等参数。中山大学的伍智勇等利用相场法模拟过冷熔体在凝固过程中枝晶
的生长过程和形貌，研究各向异性和潜热对枝晶生长的影响，结果表明：各向异

性越大，枝晶沿选定方向生长的趋势越强，枝晶生长越快潜热越大，枝晶间竞争
越激烈，凝固则越慢。
兰州理工大学的 Xiao R Z 等利用相场模型对 Ni-Cu 合金非等温凝固过程的
部分特征进行模拟研究。研究表明非等温模型更能有效地模拟二元合金的实际凝

固过程，并且随着热扩散系数的减小，非等温相场模型逐渐向等温相场模型回归。
袁训锋等采用相场和溶质场耦合的方法，对铝—铜二元合金的定向凝固过程进行
了模拟，研究了各向异性、界面厚度、界面能等参数对界面形态和微观偏析的影
响，结果表明：界面能和界面厚度的增加使晶体生长由深胞状枝晶向浅胞状枝晶

转变。刘芳慧等利用建立的温度场和溶质场相耦合的相场模型，研究了各向异性
强度系数、界面动力学系数以及界面能对 Zn-Al 二元合金枝晶生长形貌和枝晶尖
端生长速度的影响。另外国内的于艳梅、王雅琴、郭耀麟、王颖硕等研究者也利
用相场法对定向凝固组织进行了模拟，并取得了较好的研究成果。

2. 国外相场法模拟的研究进展
国外利用相场法模型模拟凝固微观组织的研究经历了从纯物质到二元合金、
多元多相合金；从枝晶到共晶、包晶；从二维枝晶到三维枝晶；从单相场模型到
多相场模型；从忽略流场到包含流场逐步深入的发展历程，并且取得了较为丰富

的成果。
20 世纪 80 年代，Collins 和 Caginalp 等提出了最早的相场模型之后，File 等
对相场模型进行了大量的数学分析，并最早将各向异性引入相场模型。1993 年，

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