基于相场模拟的倾斜共晶生长研究进展

来源期刊：材料导报2020年第11期

论文作者：罗磊 李向明 魏岑 王献

文章页码：11114 - 11120

关键词：倾斜共晶;相场模拟;各向异性;共晶;形貌演化;

摘    要：共晶合金是工业上应用最为广泛的一类合金,其组织形态以两相或多相固态从液态中同时共生生长为主。共晶组织存在于许多重要的结构材料和功能材料的固液相变中,而倾斜共晶是共晶组织在诸多因素影响下形成的与热流方向呈一定倾斜角度的共晶组织。学者们探究了倾斜共晶生长的生长机理和共晶生长界面稳定性等重要问题,发现倾斜共晶组织有利于改善共晶组织的材料性能,对解决许多关于共晶组织的问题有指导意义。初步认为,具有各向异性的表面张力对倾斜共晶产生影响。由于相场法的固液界面序参数连续变化,解决了凝固过程中固液界面追踪困难的问题,因此可利用相场模拟法来研究倾斜共晶的形成机理。采用相场模拟法研究倾斜共晶的生长机理,主要是通过改变物理参数和相场参数来观察倾斜共晶组织形貌的变化规律,例如各向异性参数、温度梯度、凝固速度、对流情况、界面能比以及初始层片间距等诸多参数都对倾斜共晶的形貌演化具有一定的影响。通过相场模拟法对凝固过程中倾斜共晶生长进行研究可以得到每种材料对应的最佳物理参数和相场参数,这不仅在理论上更是在工业上上升了一个新的台阶。历经几十年的发展,相场法模型从单相到多相,从定性研究到定量研究,更是从二维相场模拟发展到三维相场模拟,相场模拟法越来越完善,对于凝固过程中组织形貌变化模拟结果也越来越接近实际情况。本文将从二维相场模拟与三维相场模拟出发,阐述了在不同维度下物理参数和相场参数分别对倾斜共晶组织形貌演化的影响。在二维相场模拟方面,学者们取得了一系列的突破,证明了各向异性和对流情况对倾斜共晶有一定的影响,初始层片间距会改变共晶的生长模式,温度梯度、界面能、凝固速度和扩散系数对共晶倾斜角度也有一定影响。在三维相场模拟方面,同样取得了一些成就,不同生长速度和弹性效应下,层片间距与过冷度之间的关系,各向异性和温度梯度对倾斜共晶组织形貌变化以及扩散系数和界面能对固液界面变化都有被研究。本文指出了当前研究存在的问题,并对未来研究工作作出了展望。