Page 89 - 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

二元合金定向凝固开发出三维相场模型，并利用该模型模拟了二元合金定向凝固
过程枝晶的生长，结果表明三维相场模拟可以在合理的计算时间内进行。
（二）相场法模拟未来的发展趋势

相场方法作为一种模拟复杂凝固界面结构的有效工具，可直接模拟出固相和
液相中的溶质偏析，分枝的形成、粗化和重熔等复杂的凝固现象，并能定量地研
究固液界面曲率效应、动力学效应、扰动、各向异性对凝固微观组织形成的影响，
然而相场方程复杂、计算效率低、不能求解复杂模型，极大地限制了相场法模拟
的发展。为了精确模拟微观组织的演变过程，不仅要建立准确的数学模型，而且

要有精确高效的数值计算来求解。经过多年的发展，微观组织的数值模拟经历了
从定性模拟、半定量模拟到定量模拟；从定点形核到随机形核，从纯物质微观组
织的模拟到对多元合金微观组织的模拟，数学模型和研究方法在不断完善，研究
范围也在不断扩大，但整体水平仍然处于学术研究阶段。

目前相场法模拟微观组织的研究主要存在以下问题。①完善与相场计算相关
的热力学数据。热力学数据对凝固微观组织的模拟计算有着非常重要的作用，而
目前这方面的数据还不是很完整，还有待进一步完善。一方面可以通过实验研究
来完善，但这需要花费大量的人力、物力和财力。而利用计算相图技术来获得相
关的热力学数据，将是相场法模拟未来的发展方向。②定向凝固的实际凝固过程
极为复杂，为了更为准确地使用相场法模拟凝固过程，需要对偏晶反应、包晶反

应、共晶转变和再结晶、固相转变等模拟过程进行进一步的深入研究，从而使数
值模拟与生产实际更加紧密的结合。③完善二元合金相场模型，发展多相场和多
元合金模型。目前相场法主要集中在二元合金，而实际的工程材料大多属于多相
和多元的合金，只有发展与实际材料相符合的相场模型，才能将微观组织的模拟

应用于指导实际生产。④发展与温度场、溶质场、流场和应力场等多场耦合的相
场模型。与溶质场温度场的耦合，目前还主要是一些定性的研究，有待于进一步
完善；与流场的耦合研究目前主要局限于纯物质的枝晶生长，对流对合金凝固组
织的影响以及应力场的耦合方面的研究还处于初级阶段。⑤优化相场模型的数值
求解技术。目前相场模型数值求解方法的计算效率还较低，不能求解复杂相场模

型。为了求解包含多场的相场模型，必须优化现有的数值求解技术，加强计算数
学领域、计算机软件与应用领域、凝固理论与技术领域、铸造技术与工程领域等
不同领域中研究人员的通力协作，极大地丰富各类软件资源，不断改善硬件环境
与软件配置条件，提高相场模型的数值求解技术。

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