合金凝固過程枝晶在外力作用下的生長和破碎的研究

《合金凝固過程枝晶在外力作用下的生長和破碎的研究》是依託清華大學，由郭志鵬擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：合金凝固過程枝晶在外力作用下的生長和破碎的研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：郭志鵬
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

在金屬的凝固過程中，外力（機械、電磁攪拌、超聲以及熱衝擊等）的作用可以使得生成的樹枝晶大量的破碎，從而產生均勻的、細小的微觀組織，最終極大地提高鑄件的質量和性能。而對於各種外力對枝晶破碎的影響機制，在現有研究中則存在很多的爭議。本項目的研究目標則是為了解決這些已有的爭議，建立一套可靠的、直接的科學理論或數學、物理模型從而可以很準確地解釋以及預測這些因素在枝晶破碎過程的作用，同時定量描述這種破碎對最終鑄件的組織以及性能的影響作用。在數學模型方面，本項目採用相場方法，建立熱-溶質-對流耦合的相場模型，同時開發準確、高效的並行算法，求解多枝晶在不同外力場情況下的生長以及破碎狀態；在實驗方面採用高強度X射線同步輻射技術觀察金屬合金凝固過程中枝晶生長以及破碎過程，驗證相關模型和破碎理論。最終建立相關的物理實驗裝置用於測試外力對1-2kg實際鑄件的枝晶破碎過程，為在工業上合理有效地套用該技術奠定基礎。

結題摘要

在金屬合金的凝固過程中，外力的作用可以使生成的枝晶大量的破碎，從而產生均勻的、細小的微觀組織，極大地提高鑄件的質量和性能。而對於各種外力對枝晶破碎的影響機制，在現有研究中則存在很多的爭議。本項目的研究目標則是為了解決這些已有的爭議，建立一套準確的科學理論或數學、物理模型從而可以很準確地解釋以及預測這些因素在枝晶破碎過程的作用，定量描述這種破碎對最終鑄件的組織以及性能的影響。在本項目中，我們採用X射線同步輻射技術和相場模擬相結合的方式來研究凝固過程的枝晶破碎現象。 在實驗方面，設計並建立了用於原位觀察金屬合金凝固過程的實驗測試平台。針對X射線影像和斷層掃描技術建立了兩套實驗裝置，主要考慮外力作用的載入和凝固過程溫度的控制。基於這些實驗裝置和測試平台，在上海光源、英國Diamond光源、瑞士PSI和法國ESRF開展了多次X射線同步輻射實驗。針對Al-Cu和Mg-Al合金等開展了大量的原位觀察實驗，獲得了廣泛和充實的實驗數據，為揭示枝晶生長和破碎過程奠定了堅實的基礎。在X射線實驗方面，課題組進行的多個工作都具有很強的開拓性前沿性，特別是首次開發並開展了外力作用下枝晶生長原位觀察實驗和首次開發並開展了鎂合金枝晶生長的斷層掃描實驗等。 在相場模擬方面，建立了模擬枝晶生長的多尺度相場模型，耦合了溶質場、溫度場和流場，同時開發了高效求解耦合方程的並行-多重格線算法，計算了枝晶在不同冷卻速度和外力作用下的生長狀態，結合X射線同步輻射實驗結果，預測了晶體破碎的位置，從機率的角度上統計了枝晶破碎的數量，提出了枝晶破碎的“弱節”理論，解釋了外力作用下枝晶破碎的主要機制在於局部熔點下降而導致的斷裂。產生這種現象的主要方式包括兩點，一是枝晶快速生長導致的局部特徵長度減小而引發的曲率熔斷效應，二是外力作用下枝晶內部應力增加導致體系自由能升高而引起的局部熔點下降。 在項目進行的後期又開發了精度更高的三維相場模型以及用於快速求解相場模型的並行-局部加密-多重格線算法（Para-AMR-MG），採用該模型研究了各種情況下枝晶的生長形態並和現有理論和X射線同步輻射實驗結果進行對比，獲得重要的研究發現。所開發的針對三維相場模型的並行-局部加密-多重格線算法使原有計算效率提高了3個數量級，大大加快了計算速度，解決了相場領域一直存在的計算速度嚴重滯後的問題，該算法在計算效率上處於世界領先水平。