DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2002.05.004
用相场方法模拟铝合金枝晶生长形貌
清华大学机械工程系
清华大学机械工程系 北京100084
摘 要:
采用相场方法对枝晶的生长形貌进行了模拟计算 , 数学模型中包含了相场控制方程、溶质守恒方程以及能量守恒方程 , 其中枝晶的形貌由相场变量控制。模拟结果与实验结果基本吻合 , 同时由于相场方法更符合枝晶生长的物理机制 , 因而相场的模拟结果比CA模拟结果更接近实验结果
关键词:
中图分类号: TG292
收稿日期:2001-12-24
基金:国家自然科学重大基金资助项目 ( 5 9990 470 );国家自然科学基金资助项目 ( 5 0 0 0 5 0 11);国家重点基础研究发展规划资助项目 (G2 0 0 0 6 72 0 8-3);
Simulation of dendritic growth morphology of aluminum alloy using phase field method
Abstract:
The phase field method is applied to simulate the dendritic growth morphology of aluminum alloy. The mathematic model includes phase field governing equation, solute conservation equation and energy conservation equation. The computed results are compared with the experiment and the published results.
Keyword:
phase field method; solidification; numerical simulation; microstructure;
Received: 2001-12-24
微观组织决定铸件的性能和使用寿命, 控制铸件成形过程中微观组织的形成具有重要的意义, 但是由于成形过程需要控制大量的参数, 全部用实验确定不太现实, 因而模拟预测方法显得越来越重要。 随着铸件凝固过程宏观数值模拟的逐步成熟和完善以及计算机软硬件技术的快速发展, 对微观组织进行模拟成为可能。
常用的微观组织数值模拟方法主要有3类型: 确定性方法、 概率方法和相场方法。 目前, 国外采用相场方法对枝晶形貌进行模拟计算已经取得较大的进展, 特别是Kobayashi
1 数学模型
1.1 相场控制方程
式中 τ为驰豫时间, ω为各向异性, ?为相场变量, Tm为液相线温度, t为时间坐标, θ为无量纲温度, T∞为初始温度, λ为常数, cl为液相浓度, γ为各向异性强度, L为结晶潜热, c为比热容, β为生长方向与晶轴夹角。
这里相场变量?的取值范围为[-1, 1]。 液相为-1, 固相为1, 界面为0。
1.2 溶质守恒方程
式中 k为分配系数, Ds为固相扩散系数, Dl为液相扩散系数。
这里假定固相无扩散, 并且在界面处cs=kcl。
1.3 能量守恒方程
其中
作者认为枝晶分枝是主要由热扰动导致的, 因此在方程中引入了热扰动
2 数值方法和模拟结果
作者采用了有限差分方法对以上方程进行离散, 离散格式是中心差分格式; 并采用矩形网格对计算域进行划分。 系统环境: PⅢ 450, 内存256 M, 硬盘40 G, 联想主板, Win2000操作系统。
2.1 等轴枝晶模拟
实验试样为d 10 mm的圆棒, 长度为80 mm。 砂型铸造, 浇注温度为710 ℃。
由于计算量的限制, 无法对整个试样进行计算, 作者采用了2种剖分步长和2种时间步长分别计算宏观温度场和枝晶生长过程。 枝晶生长过程模拟计算的计算域为试样中心区域, 尺度为0.5 mm×0.5 mm。 并且枝晶生长模拟计算的初始温度场由其相邻的宏观单元插值得到。
模拟计算采用了自行开发的铝合金微观组织模拟模块, 该模块已经集成到课题组开发的模拟软件FT-star中。
网格尺度为1 μm, 网格数目为500×500。 合金为Al-12.5%Si (质量分数) 。 假定晶核位于计算区域中心, 初始温度为710 ℃, 计算时间为0.5 h。
2.1.1 枝晶温度场
枝晶温度场如图1所示。 液相温度为574 ℃。 枝晶前沿存在曲率过冷, 因此温度较低; 由于枝晶生长过程中释放潜热, 因而固相中的温度较之液相要高。 同时, 由于存在着热扰动, 因而枝晶温度场的分布并不完全对称。
2.1.2 枝晶浓度场和形貌
图2和图3 (a) 所示为采用相场方法模拟的Al-12.5%Si合金的枝晶形貌; 图3 (b) 所示为实验中观察到的枝晶形貌; 而图3 (c) 所示为韩国Hong课
图1 枝晶温度场
Fig.1 Dendritic temperature field (a) —0.25 s; (b) —0.5 s; (c) —1.0 s
图2 相场方法模拟等轴枝晶生长
Fig.2 Simulation of equiaxed dendriticgrowth using phase field method (a) —0.25 s; (b) —0.5 s; (c) —1.0 s
图3 等轴枝晶形貌
Fig.3 Morphologies of equiaxed dendrites (a) —Phase field method; (b) —Experiment; (c) —CA method
题组用CA方法模拟的枝晶形貌
2.2 柱状晶生长模拟
合金为Al-4.5%Cu, 热流方向为垂直向下, 其他三面绝热。 网格数目为300×450, 网格尺度为1 μm, 冷却速度为20 ℃/s, 计算时间为40 min。
图4所示为用相场方法模拟的柱状晶生长图形。 从图4中可以看到明显的竞争生长现象。
图4 用相场方法模拟柱状晶生长
Fig.4 Simulation of columnar growthusing phase field method (a) —0.3 s; (b) —0.5 s; (c) —1.0 s
3 结论
1) 建立了枝晶生长的相场模型, 模型中引入了热扰动, 模拟了等轴晶的生长过程以及柱状晶的生长过程。
2) 枝晶形貌模拟结果与实验结果、 其他学者的模拟结果吻合。
参考文献
[1] KobayashiR .Modelingandnumericalsimulationofden driticcrystalgrowth[J].PhysD , 1993, 63:410-423.