合金凝固过程中枝晶共晶和显微气孔形成的模拟研究

Based on the applicant's previous work, this project will develop a novel coupled LBM-MCA-PanEngine and relevant algorithm, by combining the two-phase lattice Boltzmann method (LBM), the multi-phase cellular automaton (MCA), and thermodynamic phase equilibrium calculation PanEngine. The model includes multi-field (concentration, temperature, fluid flow, and pressure), multi-phase (gas, liquid, dendrite, and eutectic), and multi-component (binary alloy, ternary alloy, and gas element). In addition, an MCA-FDM-Panengine model will also be developed. In the MCA-FDM-PanEngine model, the necleation and growth of dendrites, eutectics, and gas pores are simulated using the MCA. The transport of solutes and gas element is calculated by the finite difference method (FDM), and the thermodynamic phase equilibrium is calculated using PanEngine. The developed models will be able to perform the qualitative and quantitative simulations of dendritic and eutectic growth, gas bubble formation and evolution during solidifcation of binary and ternary alloys. The simulations will provide an insight into the interaction mechanisms of fluid flow, thermal and solutal transport, and phase transformation in a co-existing system of melt, dendrite, eutectic, and gas bubble. It will give some scientific basis for the prediction and control of microporosity and microsegregation, as well as the solidification microstructures of lotus-type porous materials.

在申请人已有的工作基础上，本项目将两相流格子玻尔兹曼方法( LBM)、多相元胞自动机( MCA)和热力学相平衡计算PanEngine相耦合，建立具有独创性的多场（浓度场、温度场、流场和压力场）、多相（气相、液相、枝晶和共晶）和多元（二元、三元合金和气体组元）的LBM-MCA-PanEngine耦合模型以及相应的算法。此外，建立MCA-FDM-PanEngine耦合模型。所建立的模型能对二元和三元合金在凝固过程中枝晶和共晶生长、气泡形成和运动的演化规律进行定性和定量的数值模拟。通过模拟研究，深入理解二元和三元合金凝固过程中的流体流动、溶质和热的传输与金属熔体、枝晶和共晶、气泡多相共存相变之间相互作用的物理机制。为预测和控制显微气孔和显微偏析等凝固缺陷、以及藕状孔隙结构多孔材料的显微组织提供科学依据。

本项目建立了包含多场和多相的元胞自动机-有限差分-PanEngine耦合模型(MCA-FDM-PanEngine)以及相关算法，用MCA模拟枝晶、共晶、以及气孔生长，用FDM计算温度场和浓度场。应用该模型对二元和三元合金在凝固过程中的显微组织（枝晶和共晶）和显微气孔演化进行模拟研究，分析了共晶组织形貌、初始H含量、以及冷却速度等因素对显微气孔形成的影响规律。模拟结果显示，对于二元和三元合金，不同尺寸的显微气孔存在竞争生长的现象，尺寸较大的气孔优先生长，而尺寸较小的气孔的生长受到抑制；共晶反应促进显微气孔的形核和生长，增加合金中气孔体积分数；随初始H含量增加和冷却速度的减慢，显微气孔的体积分数有所增加。建立了格子Boltzmann方法(LBM)-MCA-PanEngine耦合模型，模拟了对流作用对三元合金枝晶生长的影响规律。模拟结果表明，枝晶在纯扩散条件下呈现对称形貌，而在对流作用下上游枝晶臂生长更为发达。对前期工作所建立的多相CA模型进行改进优化，对亚共晶和过共晶成分的球墨铸铁凝固过程进行模拟，讨论了石墨和奥氏体两相的协作和竞争生长机制，分析了冷却速度对于球墨铸铁凝固组织的影响。随着冷却速度增大，最终凝固组织中石墨球个数增多，石墨球平均半径减小，凝固时间缩短。建立了包含熔化/凝固机制的CA模型，对合金在半固态保温时的温度梯度区域熔化(TGZM)现象和等温时的枝晶粗化现象进行模拟研究。模拟分析了TGZM作用下的枝晶臂迁移现象，并将模拟结果与透明合金定向凝固实验和解析模型进行对比，发现靠近液相线位置的枝晶臂的迁移速度更快。模拟研究了在固液两相区等温时的枝晶粗化的不同机制，表明枝晶的粗化过程中的凝固和熔化是相互促进的，枝晶局部凝固/重熔动力学不仅受局部界面曲率的影响，还受到相邻枝晶臂几何形状的影响。采用LBM两相流模型模拟了液滴在纳米结构粗糙表面的冷凝、蒸发现象。结果表明，冷凝液滴在纳米结构表面的三种形核模式与纳米结构尺寸密切相关；蒸发液滴的接触角的变化是由三相接触线与微观结构的钉扎-解脱钉扎的行为所控制的。