温度梯度区域熔化作用下的包晶合金凝固组织演化

Based on the applicant’s previous work, this project will develop a quantitative multi-phase-field (MPF) model with an anti-trapping current for the solutal asymmetric two-sided diffusion. The developed MPF model will be able to perform the quantitative simulations of the microstructure evolution due to temperature gradient zone melting (TGZM) in directionally solidification of peritectic alloys. In addition, an analytical TGZM dynamic model will be developed for binary peritectic alloys. The model can quantitatively describe the droplet migrating behavior due to the TGZM effect in the multiple mushy zones of peritectic solidification. Criteria for critical pulling velocity and critical droplet position will be proposed. By means of the combination of simulation study and theoretical analysis, the migrating mechanisms of droplets and dendrite arms in the different mushy zones of peritectic solidification due to the TGZM effects will be investigated in detail. To reveal the mechanism of the TGZM effect on the microstructure and microsegregation during solidification of peritectic alloys, the influences of peritectic reaction, temperature gradient and pulling velocity on remelting and resolidification in the mushy zone will be discussed for both static and dynamic conditions. The research of this project will give some scientific basis for the understanding of the complex phenomena and mechanisms of the peritectic solidification under temperature gradient, as well as the prediction and control of the solidification microstructures of peritectic alloys.

在申请人已有的工作基础上，本项目针对二元包晶的凝固过程，建立包含溶质非对称双边扩散反截留项的定量多相场模型。所建立的多相场模型能对包晶合金定向凝固时在温度梯度区域熔化(Temperature gradient zone melting，TGZM)作用下的显微组织演化进行定量模拟。此外，建立二元包晶合金的TGZM动力学解析模型，定量描述在TGZM效应作用下液滴在包晶凝固多个糊状区中的迁移行为，提出临界抽拉速度准则和临界液滴位置准则。通过模拟研究和理论分析相结合，深入理解由于TGZM效应而引起的液滴和枝晶臂在包晶凝固不同糊状区中的迁移现象。探讨包晶反应、温度梯度和抽拉速度等因素对静态和动态糊状区内重熔与再凝的影响规律，从而揭示TGZM效应对包晶合金凝固显微组织和微观偏析的作用机制。为认知在温度梯度作用下包晶合金的复杂凝固现象与机制、以及对包晶凝固组织的预测和控制提供科学依据。

在铁、铜、铝、钛合金和镍基高温合金等多种合金体系中，观察到了包晶相变。包晶相变包含了包晶反应和后继包晶转变的过程，在钢的连铸质量控制和磁性材料及电子材料的生产中起着至关重要的作用。本项目建立了具有溶质反截留项并考虑固相扩散的定量多相场模型，用于模拟低过冷度时Fe-C合金中的包晶相。采用新定义的阶跃函数的界面场方法，建立了多相场变量的控制方程。应用该模型模拟了实验空间尺度下大计算区域内，包晶反应过程中包晶片层尖端的生长和后继包晶转变。结果表明：液相/初生相/包晶相三联点处的局部液相浓度略高于与初生相平衡的液相浓度，但低于与包晶相平衡的液相浓度。这导致在三联点附近的初生相少量熔化，而包晶相片层继续生长。在较高的过冷度下，较高的尖端速度导致沿包晶相片层厚度方向上产生更陡峭的碳浓度梯度，从而带来较高的厚度方向生长速度。包晶相片层的尖端速度与厚度方向生长速度的比值随过冷度增大而增大，但尖端半径和片层尖端厚度同时减小。模拟结果与文献报道的实验数据具有很好的一致性，证明了该多相场模型的定量预测能力，证实了包晶相变是在接近平衡条件下扩散控制的。本项目同时推导了一个预测包晶转变动力学的解析模型。该解析模型能够预测液相、初生相和包晶相在任意扩散系数下的溶质扩散。解析模型应用于预测零和非零过饱度下（包括初生相和液相）的Fe-C合金等温包晶转变动力学。解析模型预测结果与相场模拟吻合较好。在零过饱和度的情况下，包晶相片层厚度和包晶相中非线性浓度分布随时间演化规律与实验数据吻合较好。随着保温温度降低，包晶相/初生相界面的抛物速率常数非线性增加，但包晶相/液相界面的抛物速率常数几乎保持不变。母相中非零过饱和度显著地提高了包晶相/液相界面的扩散通量跃变，但包晶相/初生相界面的扩散通量跃变仅略有增加。因此，包晶相/液相界面生长速度显著增加，但包晶相/初生相界面生长速度几乎不变。