Page 88 - 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

Kobayashi 首先利用含有各向异性的尖锐相场模型实现了对纯金属过冷熔体中枝
晶生长的二维模拟。1996 年，Karma 与 Rap-pel 对相场模型进行了薄界面的渐进
分析，并对低过冷度下界面动力学系数为零的纯金属自由枝晶的生长进行了二维

和三维定量数值模拟。1998 年，TÖnhardt 将纯金属凝固时熔体的对流简化为剪
流，利用相场模型研究了剪流条件下枝晶的生长形态变化。1999 年，Kim 等基
于纯金属中的相场扩散和热扩散提出双重网格法，在大过冷度范围对纯熔体的复
杂枝晶形状进行模拟，增大了时间步长，提高了计算效率。2000 年，Tong 基于

Karma 场模型，提出了考虑流场的相场模型，模拟了在强迫对流下流速、流动方
向等参数对枝晶尖端推进速度和形态选择的影响，同时对枝晶尖端的稳态行为和
侧向分枝也进行了研究，他们利用多重网格法对数值及动量方程进行求解，该方
法为压力场和速度场之间提供了更强的耦合，其原理是先用 SIMPLE 算法得到最

初的网格然后外推到下一个更精确的网格，利用其限制性和延长性周期得到二次
网格，依次重复上述步骤直至得到最佳级别的解决方案。
2005 年，Qin 与 Wallach 等建立了多元合金多相凝固的相场模型，并对 Al-
Si-Cu-Fe 合金的凝固进行了模拟，得到了与实验相吻合的结果。2007 年，Suzuki

利用该校正模型模拟了 Si-Ni 二元合金小晶面枝晶生长，当过冷度 ΔT=80K 时，
发现枝晶生长尖端曲率效应消失，界面前沿的变化不再是光滑连续形式，而在枝
晶生长根部界面变得不稳定，产生棱角状的非连续形貌。2008 年，Keita 等设计
了一种新的计算机储存方式，在相场法模拟结果的储存中使用，既能节省大量

的储存空间又能准确地储存结果。同年，Quang 等将尖锐的相场方法和假象的区
域方法相结合，模拟了更加复杂重力条件下纯物质的枝晶生长，获得具有旋转
性的非对称性枝晶形貌。2009 年 Nomoto 等通过多相场模型耦合计算相图方法
（CALPHAD）模拟了 Al-Ti-B 和 Al-Si-Ti-B 系列合金凝固过程中的晶粒细化，

通过计算得到的凝固晶粒尺寸和实验测得的亚包晶的尺寸大致相同。2010 年，
Minamoto 通过多元多相场模型与计算相图方法（CALPHAD）、热力学数据库的
耦合模拟了 Mg-Zn-Y 合金凝固过程的组织演化，模拟相场中得到片层层状间距
与实验测量的结果相一致。2015 年，Ferreira A F 等通过对多相 / 多尺度模型与相

场模型之间的耦合模拟了微观组织形貌和凝固过程中对柱状晶到等轴晶过渡的预
测，结果表明，微观组织形态很大程度上取决于晶核密度并且从柱状晶到等轴晶
过渡的形态可以进行定量模拟。Sakane S 等使用多图形处理单元和定量相场法为

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