《合金凝固過程中枝晶共晶和顯微氣孔形成的模擬研究》是依託東南大學，由朱鳴芳擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：合金凝固過程中枝晶共晶和顯微氣孔形成的模擬研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：朱鳴芳
- 依託單位：東南大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
在申請人已有的工作基礎上，本項目將兩相流格子玻爾茲曼方法( LBM)、多相元胞自動機( MCA)和熱力學相平衡計算PanEngine相耦合，建立具有獨創性的多場（濃度場、溫度場、流場和壓力場）、多相（氣相、液相、枝晶和共晶）和多元（二元、三元合金和氣體組元）的LBM-MCA-PanEngine耦合模型以及相應的算法。此外，建立MCA-FDM-PanEngine耦合模型。所建立的模型能對二元和三元合金在凝固過程中枝晶和共晶生長、氣泡形成和運動的演化規律進行定性和定量的數值模擬。通過模擬研究，深入理解二元和三元合金凝固過程中的流體流動、溶質和熱的傳輸與金屬熔體、枝晶和共晶、氣泡多相共存相變之間相互作用的物理機制。為預測和控制顯微氣孔和顯微偏析等凝固缺陷、以及藕狀孔隙結構多孔材料的顯微組織提供科學依據。
結題摘要
本項目建立了包含多場和多相的元胞自動機-有限差分-PanEngine耦合模型(MCA-FDM-PanEngine)以及相關算法，用MCA模擬枝晶、共晶、以及氣孔生長，用FDM計算溫度場和濃度場。套用該模型對二元和三元合金在凝固過程中的顯微組織（枝晶和共晶）和顯微氣孔演化進行模擬研究，分析了共晶組織形貌、初始H含量、以及冷卻速度等因素對顯微氣孔形成的影響規律。模擬結果顯示，對於二元和三元合金，不同尺寸的顯微氣孔存在競爭生長的現象，尺寸較大的氣孔優先生長，而尺寸較小的氣孔的生長受到抑制；共晶反應促進顯微氣孔的形核和生長，增加合金中氣孔體積分數；隨初始H含量增加和冷卻速度的減慢，顯微氣孔的體積分數有所增加。建立了格子Boltzmann方法(LBM)-MCA-PanEngine耦合模型，模擬了對流作用對三元合金枝晶生長的影響規律。模擬結果表明，枝晶在純擴散條件下呈現對稱形貌，而在對流作用下上游枝晶臂生長更為發達。對前期工作所建立的多相CA模型進行改進最佳化，對亞共晶和過共晶成分的球墨鑄鐵凝固過程進行模擬，討論了石墨和奧氏體兩相的協作和競爭生長機制，分析了冷卻速度對於球墨鑄鐵凝固組織的影響。隨著冷卻速度增大，最終凝固組織中石墨球個數增多，石墨球平均半徑減小，凝固時間縮短。建立了包含熔化/凝固機制的CA模型，對合金在半固態保溫時的溫度梯度區域熔化(TGZM)現象和等溫時的枝晶粗化現象進行模擬研究。模擬分析了TGZM作用下的枝晶臂遷移現象，並將模擬結果與透明合金定向凝固實驗和解析模型進行對比，發現靠近液相線位置的枝晶臂的遷移速度更快。模擬研究了在固液兩相區等溫時的枝晶粗化的不同機制，表明枝晶的粗化過程中的凝固和熔化是相互促進的，枝晶局部凝固/重熔動力學不僅受局部界面曲率的影響，還受到相鄰枝晶臂幾何形狀的影響。採用LBM兩相流模型模擬了液滴在納米結構粗糙表面的冷凝、蒸發現象。結果表明，冷凝液滴在納米結構表面的三種形核模式與納米結構尺寸密切相關；蒸發液滴的接觸角的變化是由三相接觸線與微觀結構的釘扎-解脫釘扎的行為所控制的。
