一、Effects of temperature boundary conditions on equiaxed dendritic growth in phase-field simulations of binary alloy（论文文献综述）
石钦[1]（2021）在《CA法模拟铁素体不锈钢凝固过程中的形核和长大行为》文中提出液态金属的凝固过程涉及到宏/微观不同尺度复杂的物理变化,研究金属材料的凝固过程对理解组织形成原理、改善优化工艺具有重要的意义。凝固过程的宏/微观之间常常伴随着温度场不均匀分布、熔体流场紊流效应、枝晶的形核和生长等,通过不同的数值模型可以揭示上述复杂的反应过程,再现凝固的宏观物理场分布和微观组织场的动态演化过程。本文基于振动激发金属液形核技术,采用元胞自动机（Celluar Auotomaton,CA）方法建立了铁素体不锈钢Cr17的二维凝固组织模型,同时耦合宏观温度场研究了熔体微观区域枝晶的形核和长大行为。论文的主要内容和结果如下:结合显式有限差分方法（Finite difference method,FDM）和元胞自动机模型建立了枝晶生长的CA-FDM算法,综合考虑以溶质扩散为主要驱动力的生长动力学机制,包含溶质成分过冷、曲率过冷、界面能各向异性函数对枝晶生长的影响。通过优化曲率算法并采用Zigzag元胞捕获规则,降低了CA算法的网格各向异性问题。通过耦合宏观温度场,采用异质形核模型、微观枝晶生长算法,模拟了振动激发金属液形核技术工艺参数对微观组织的影响,揭示了晶核发生器表面微观区域内枝晶的竞争生长过程;分析了晶核发生器表面过冷度和振动频率对内部等轴晶区域的占比、等轴晶平均晶粒尺寸大小、柱状晶区长度等的影响。随着晶核发生器振动频率的增加,熔体中加剧的不规则紊流效应有利于枝晶的碎断和迁移,增加了熔体中异质晶核数量,有效促进了柱状晶向等轴晶的转变过程。晶核发生器振动频率为1000 Hz、表面过冷度为300～400 K时,熔体中温度梯度小,柱状晶前沿形成较宽的溶质过冷区,有利于柱状晶向等轴晶转变;当过冷度继续增大,熔体中温度梯度增加,柱状晶前沿的等轴晶形核区域范围减小,利于柱状晶的定向生长。当过冷度一定时,提高振动频率有利于等轴晶区域扩大,柱状晶区域发展被限制。其主要原因为:随着振动外力的增强,熔体中的对流搅拌作用增强,初生的枝晶在外力作用下破碎,在后续的凝固过程中枝晶碎片作为异质形核衬底,对流作用的增强能够降低了熔体中的温度梯度,使大部分熔体达到异质形核的过冷度。
张迪[2]（2021）在《Ni-Sn合金枝晶生长的相场法模拟》文中研究指明Ni-Sn合金因其良好的耐高温和耐腐蚀性能,在航空航天、化工、机械等领域应用广泛。Ni-Sn合金的性能主要取决于其微观组织形态,即枝晶的形貌与取向。其枝晶的形貌和生长取向受到多种因素的影响,目前,对Ni-Sn合金枝晶生长的描述以及多样性等问题的研究比较缺乏。常用于模拟微观组织的模型有:确定性方法、随机方法以及相场法。相场法由于能够有效的描述系统在非平衡状态下所形成的复杂相界面的演变,不用跟踪其固液界面区域的形态,就能模拟金属凝固时其枝晶界面演化的复杂形貌,是当前凝固微观组织模拟研究的主流方法。本文采用相场模型模拟了Ni-Sn合金二维枝晶生长过程,并在模拟中加热扰动,对枝晶的微观偏析进行计算。随着过冷度系数的增大,枝晶生长更发达,一次枝晶主干上生长出更多的二次枝晶,微观偏析也更严重。发现当过冷度系数增大至0.54时,枝晶生长速度突增,Ni3Sn相跃迁生长,是造成Ni-Sn合金枝晶发生异常生长的原因。模拟了不同界面厚度下Ni-Sn合金的二维枝晶形貌,随着界面厚度的减小,固相中的溶质更容易扩散到液相中,导致枝晶尖端的生长速率变大,尖端曲率半径减小,促进了枝晶的生长和三次枝晶的出现和生长。为了更符合实际的枝晶生长情况,在模型中加入修正界面厚度的参数。随着影响系数的值增大,枝晶尖端部分界面厚度逐渐减小而枝晶交界处的界面厚度则逐渐增大。使得枝晶尖端的生长速度迅速增加,枝晶尖端的曲率半径相应减小。利用三维相场模型,模拟了界面能各向异性参数和过饱和度对Ni-Sn合金等轴枝晶形貌演化过程的影响:随着界面能各向异性参数eps的减小,Ni-Sn合金枝晶的择优生长取向由<100>方向逐渐转变为<110>方向;过饱和度的增加会增大微观偏析程度和增加主枝晶尖端速度。
杨帅[3]（2021）在《Ti-Al合金枝晶生长的相场法模拟》文中研究说明在金属的凝固过程中,微观组织对铸件的优良物理性能有着重要的影响,所以研究凝固组织对提高铸件的性能有很大的帮助。微观组织模拟方法的兴起对研究金属凝固过程有着推进作用,为深入研究微观组织结构提供了帮助,更加高效和准确。相场法作为其中强有力的模拟手段,可以与多种外场和多门学科相结合,有着广泛的应用和深厚的发展潜力。本文应用Karma薄界面相场模型对Ti-Al合金进行了以下几方面的研究模拟。1.模拟了不同过冷度、过饱和度、噪声对等轴枝晶生长的影响,模拟结果表明:过冷度会影响主枝晶和二次枝晶的发达程度,会造成溶质的微观偏析;过饱和度同样会改变溶质的微观偏析,影响枝晶的尖端半径和稳态系数;噪声对引发二次枝晶的不对称性生长,但对一次枝晶形貌和枝晶尖端的稳态生长影响较小。2.模拟了定向凝固的枝晶生长过程,研究了抽拉速度和噪声对定向凝固柱状枝晶生长形貌的影响,模拟发现:抽拉速度会造成二次枝晶间隙的溶质富集,会出现枝晶的竞争生长和融合现象,二次枝晶的比值会表现出枝晶形貌的发达程度;噪声会影响主枝晶两侧二次枝晶的对称性生长,两侧枝晶形貌的差异性较大,对枝晶尖端形貌有着细微的影响。3.模拟了倾斜枝晶的生长过程,对不同倾斜角的倾斜枝晶形貌进行了分析,针对特殊形貌45°倾斜角情况进行了详细介绍,并模拟了温度梯度对倾斜枝晶生长形貌的影响,模拟结果表明;倾斜角增大,二次枝晶臂不对称性行为增强,倾斜角为45°时二次枝晶出现融合现象,主枝晶生长受到抑制,被新枝晶取代。温度梯度越大,二次枝晶与三次枝晶数量增多且变得粗大,三次枝晶尖端会产生沿温度梯度方向生长的小突起。倾斜枝晶尖端在倾斜方向（x轴）低于正常枝晶,即倾斜枝晶尖端生长会受到正常枝晶的阻碍。实验观察的正常枝晶与倾斜枝晶共同生长时,倾斜枝晶被正常枝晶淘汰,与相场模拟结果一致。
巩桐兆[4]（2021）在《合金凝固组织大尺度定量相场模拟与原位观察》文中进行了进一步梳理金属材料的微观组织决定着其服役性能,而材料的最终组织状态与凝固过程密切相关。枝晶作为最常见的一种凝固微观组织,其形貌、尺寸以及溶质分布直接影响着最终铸件的质量。因此,深刻理解枝晶生长过程并采取适当的工艺加以调控,从而获得满足预期性能的铸件,是材料科学和冶金工程领域长期关注的问题。为了研究凝固微观组织演化过程,目前已发展出了一系列数值模拟方法,其中相场方法由于避免了显式地追踪形貌复杂的固-液界面而成为模拟枝晶生长的常用方法。然而受限于计算效率低的问题,目前大尺度定量相场模拟仍旧是一个极大的挑战。为提高相场模拟效率,实现凝固组织的大尺度定量相场模拟,本文构建了合金多晶凝固快速计算相场模型及高效率数值算法。同时,结合同步辐射X射线原位实时观察凝固实验,准确高效地再现了实验中合金凝固过程,并深入研究了溶质微观偏析和等轴晶生长动力学等凝固基础科学问题。主要研究内容和结论如下:（1）通过扩散界面模型的数学非线性预条件处理,将值在固相和液相为常数而在固-液界面区域非线性变化的相场变量,转换为在整个计算域内线性变化的新变量,使得定量相场模拟中的界面处网格尺寸分别增大至原始相场模型所需界面网格尺寸的2～4倍,从而极大地减少了计算量。对于多晶凝固问题,提出了一种高效率的取向界面前沿追踪法,避免了传统向量相场模型中复杂取向场控制方程的求解,使得多晶模拟效率提高了几个数量级。进一步地,在数值计算方法上,开发了二维（2D）和三维（3D）大规模并行自适应网格有限元法,用于高效率地求解相场控制方程。基于上述模型和数值计算方法,仅在普通工作站上便将2D和3D定量相场模拟的空间尺度分别扩大至厘米和毫米级别,并且可模拟的晶粒数量分别达到103和102数量级。（2）为明确枝晶生长2D和3D模拟的定量差别,基于已开发的高效率相场模型和计算方法,研究了纯扩散和强制流动作用下二元合金等轴晶的生长过程,定量比较了 2D和3D相场模拟的枝晶尖端生长动力学、形貌和溶质分布的差异。研究表明,由于溶质扩散和液相流动在3D空间具有更高的自由度,枝晶臂尖端前沿液相中富集的溶质可以更容易地扩散和跟随液体流动而被输运至其它液相区域,因此迎流侧枝晶臂尖端固-液界面液相侧溶质成分较低、浓度梯度较高、溶质边界层厚度较小,导致尖端生长速率较高而尖端半径较小。此外,3D和2D模拟中的尖端生长速率比值和尖端半径比值均不为常数,而是随过饱和度和液体入流速度在一个较大范围内变化。同时这两个比值均可以表示为生长Peclet数比值的幂函数。提高过饱和度和液体入流速度均可以减小2D和3D模拟结果的差异,但不能将其完全消除。（3）采用相场方法模拟了连续冷却条件下Al-Cu合金凝固过程,分析了晶粒细化、冷速和固相背扩散对凝固过程溶质微观偏析的影响。研究表明,对于具有置换型溶质元素合金体系的慢速凝固而言,晶粒细化、冷速和固相背扩散均不是影响微观偏析的关键因素。不同上述影响因素的模拟中,液相平均溶质成分和最大成分,以及固相分数和偏析指数,均不存在显着差异,并且处于杠杆定律和Scheil方程的预测之间。此外,根据相场模拟结果构建了一个微观偏析新模型。相较于现有的微观偏析模型,新模型可以更准确地预测凝固末期固相分数接近1时的液相溶质成分,同时保留了与杠杆定律和Scheil方程一致的简单易用性,便于植入CALPHAD软件和铸件宏观偏析模型中,用于相平衡计算、析出相预测以及宏观偏析相关的模拟计算。（4）采用相场方法结合同步辐射X射线原位实时观察实验,研究了 Al-Cu合金自临界晶核开始至碰撞生长结束全过程中的等轴晶生长动力学。研究表明,除了经典凝固理论所认识的稳态自由生长和碰撞生长之外,在凝固初期还存在着形核控制的生长阶段。该阶段的生长动力学特点:具有临界尺寸的初始晶核在形核过冷度驱动下快速生长,随后在固-液界面前沿富集的溶质影响下,生长速率达到极大值后又逐渐下降至极小值,期间开始发生球晶-枝晶转变。在经历极小值之后,晶体生长速率再次随过冷度的增加而增大,并逐渐进入通常的稳态自由生长阶段。根据形核控制生长阶段的晶体生长动力学演化特点,提出了一种精确测定合金凝固形核过冷度的动力学新方法,以此确定了 Al-Cu合金原位观察凝固实验中各个晶粒的形核过冷度,并开展了与实验样品尺寸相近的大尺度定量相场模拟。模拟结果与原位实时观察实验数据吻合很好,不仅再现了实验中观察到的等轴晶三阶段生长动力学过程,而且也验证了所提出的测定合金凝固形核过冷度新方法的可靠性。
王凯明[5]（2020）在《基于OpenCL并行的PF-LBM多场耦合相场模型研究》文中研究说明基于金兹堡-郎道理论的相场法（Phase Field,PF）是目前凝固组织模拟中最有潜力的有效计算技术之一,不必跟踪固-液界面,还可方便地将流动等外场引入到相场控制方程中。格子Boltzmann方法（Lattice Boltzmann Method,LBM）不但满足于计算多相流、还可以处理任意复杂边界,计算效率高、数值稳定性好、本质并行、易于处理任意复杂的边界问题等许多传统方法没有的独特优势。本文基于相场模型与计算动量、质量及能量传输的格子Boltzmann方法（LBM）,耦合温度场、溶质场、流动场等外场建立PF-LBM模型,以纯物质和Al-4.5wt%Cu合金为例,开展多物理场过程耦合条件下的数值模拟,研究流动对二维纯物质凝固生长和Al-4.5wt%Cu二元合金凝固生长的影响,以及凝固生长对流动的影响。针对多场耦合相场模型模拟计算中面临的多尺度、传统的基于均匀网格的有限差分方法在单CPU上求解相场模型存在计算量大、计算效率低、限于定性研究等问题,研究了基于GPU的高性能计算方法,实现二维区域内求解相场模型算法的并行化,以扩大可模拟尺度,提高求解精度及计算效率。在CPU+GPU异构多节点集群平台上,采用Open CL并行计算的方法,对多场耦合的PF-LBM相场模型的数值模拟进行求解。为了验证Open CL并行计算方法在模拟流动作用下凝固生长的数值计算的可靠性和有效性,把Open CL并行计算方法求解PF-LBM相场模型的结果与CPU串行结果进行对比,相同条件下,相比基于CPU的模拟计算时间,Open CL并行计算方法的求解时间有大幅降低,计算效率明显提升,在模拟区域为1200×1200网格上,单GPU上Open CL并行计方法得到7.6倍的加速比。对强迫对流和自然对流时枝晶生长进行了模拟。模拟结果表明,强迫对流作用下,单枝晶生长过程中,受流场的影响呈非对称生长状态,流速越大,非对称生长越明显。多枝晶生长过程中,随着枝晶间距缩小,溶质浓度升高导致枝晶呈现非对称生长,流动作用逐渐变弱,枝晶臂出现互相压迫生长现象,枝晶呈现不规则形状。自然对流作用下,随着单枝晶生长,界面温度升高,流场逐渐被分割成四个漩涡小区域,流动作用改变了枝晶生长行为,促进迎流方向枝晶的生长,同时温度梯度的增加增大了自然对流流场的强度。
孙畅[6]（2019）在《凝固过程中显微组织演化和气孔形成的实验和模拟研究》文中提出凝固过程中显微组织演化和气孔形成及其相互作用会对金属材料的最终力学性能产生重要影响。本论文采用实验和数值模拟方法,对二元合金凝固过程中枝晶、共晶生长及气孔形成进行研究。应用透明材料定向凝固原位观察实验平台对环己烷和丁二腈-2 wt.%丙酮（SCN-2wt.%ACE）透明材料进行实验研究,观察到了透明合金定向凝固过程中枝晶的稳态生长、竞争生长、枝晶与凝固气泡相互作用等现象,考察了温度梯度和抽拉速度对一次枝晶间距的影响。结果表明,稳态平均一次枝晶间距随着抽拉速度和温度梯度的增大而减小。观察到了SCN-2 wt.%ACE透明合金定向凝固过程中,不同位置、不同尺寸的气泡与枝晶的相互作用现象。发现枝晶包裹气泡后,通过调整一次枝晶数目实现一次枝晶间距向该凝固条件下的稳态枝晶间距转变的过程。发现枝晶间的大尺寸气泡对枝晶形貌的影响较大,而枝晶对较小尺寸气泡的最终形貌产生明显影响。此外,观察到了气泡与凝固前沿协同生长以及气泡运动等现象。采用元胞自动机-有限差分（cellular automaton-finite difference method,CA-FDM）模型对SCN-2 wt.%ACE合金定向凝固过程中的几种枝晶竞争生长模式进行了模拟研究,考察了温度梯度和冷却速度对发散枝晶生长形貌的影响。发现随着温度梯度和冷却速度的提高,三次枝晶臂更容易发展为一次枝晶主干。模拟结果与透明合金定向凝固实验的观察结果吻合良好。采用CA-FDM和Boltzmann方法（lattice Boltzmann method,LBM）相耦合的CA-FDM-LBM模型,对SCN-2 wt.%ACE合金定向凝固中柱状枝晶生长和气泡演化及其相互作用进行了模拟研究。模拟结果表明,当气泡位于枝晶尖端或枝晶通道处,较大尺寸气泡对枝晶形貌有较大的影响,而气泡形貌始终受到枝晶的显着影响。对上述CA-FDM-LBM模型扩展至包含液相、枝晶、共晶和气泡的多相系统。对Al-Si合金等轴枝晶、共晶生长和凝固气泡形成进行了模拟研究,考察了初始Si成分和初始H浓度对凝固组织形貌和显微气孔的影响。模拟结果表明,凝固结束后的气孔体积百分数和平均气孔半径随着液相中初始Si成分的减小和H浓度的增大而增大。
尚闪[7]（2018）在《面向多元镁合金压力下凝固微观组织实验研究及相场建模》文中研究表明镁合金是重要的轻量化材料,挤压铸造是制造高性能结构件的先进成形方法,以具有工程应用价值的多元镁合金挤压铸造为应用背景,开展压力下凝固微观组织演化的实验研究及相场建模,对于深入理解压力下凝固机制,预测压力下凝固微观组织,进而指导挤压铸造技术开发具有重要的理论意义和应用价值。本文建立了透明合金压力下凝固过程原位观察的实验装置,采用透明合金,通过原位观察实验,系统研究了不同恒压力、周期性“升-降”压力、以及不同压力变化速率对枝晶生长形貌以及生长动力学的影响规律。首次观察到了压力降低过程中枝晶的重熔现象,获得了枝晶生长速率与枝晶尖端过冷度及压力之间的定量关系,以及生长或熔化加速度与压力速率的关系。通过在序参量方程中引入熔点相关的项,考虑了压力对自由能的影响,建立了纯物质压力下凝固过程枝晶生长的相场模型。采用原位观察实验结果,对相场模型进行了验证。通过模拟研究揭示了“升-降”压力下的“生长-重熔”规律以及加压速率对枝晶生长动力学的影响机制。根据状态方程计算了压力下吉布斯自由能,发展了三元镁合金压力下凝固的热力学模型,基于该模型计算了不同压力下的Mg-Al-Sn三元相图,并对该模型进行了检验。通过将三元镁合金压力下热力学模型与常压相场模型耦合,建立了三元镁合金压力下凝固过程微观组织演化的相场模型。采用多元镁合金压力下凝固过程微观组织演化的相场模型,结合挤压铸造实验,以Mg-Al-Sn和Mg-Gd-Y三元系为对象,研究了压力对凝固微观组织形貌以及生长动力学的影响。结果表明,压力提高了Mg-Al-Sn合金的枝晶生长速率,促进其二次枝晶臂的生长,减小平均晶粒尺寸;Al元素的微观偏析随压力的升高而加剧,而Sn元素的微观偏析受压力的影响较小;与MgAl-Sn合金相比,Mg-Gd-Y合金的枝晶比较钝化,没有明显的二次枝晶臂。
王永彪[8]（2017）在《铸造镁稀土合金凝固组织的相场法模拟和同步辐射表征》文中研究指明在轻量化和节能减排的工业需求下,作为最轻的金属结构材料,铸造镁稀土合金以其较高的比强度、良好的阻尼抗震性以及优异的机械加工性能,在航空、航天、航海、军事、汽车等领域得到了广泛的关注。合金在铸造过程中所形成的微观组织是决定合金力学性能的关键性因素,因此,深入研究镁稀土合金在铸造尤其是凝固过程中微观组织的演化规律,对控制和改善其力学性能具有极其重要的意义。本文以Mg-6Gd（wt.%）合金作为研究对象,利用相场模拟技术对其在凝固过程中的微观组织演化规律进行研究,在考虑相场模型参数如噪声项系数、空间步长、各向异性强度等因素影响的前提下,建立二元稀溶液合金的多晶定量相场模型,从热扩散系数、过冷度、冷速、温度梯度等温度因素的角度,深入系统地研究了镁合金等轴晶和柱状晶在凝固过程中的生长演化规律;此外,结合同步辐射原位成像技术,对该合金的凝固过程进行实时、动态的原位观测,从实验角度进一步研究枝晶的形貌演变和生长行为,并将观测结果与相场模拟进行验证和对比,从理论和实验两方面揭示了一些传统实验中无法考虑的因素对凝固过程枝晶生长的影响。本文的主要研究内容和结论如下:a)利用Karma定量相场模型对Mg-6Gd（wt.%）等温凝固中单个枝晶的生长进行研究。发现各向异性强度、噪声项系数以及选取的空间步长都会影响枝晶的生长形貌;界面的各向异性强度越大,枝晶尖端的非稳态行为越强烈,越容易出现二次枝晶臂,枝晶尖端移动速率(14)随着各向异性强度的增大而呈线性增大,而尖端半径4)则以指数抛物线形式减小;噪声项系数越大,枝晶尖端越不稳定,越容易出现分叉和二次枝晶臂;而空间步长的选取过大会导致模拟出的枝晶形貌变异,过小则计算量太大,应该控制在0.2（200.8（20范围内。b）建立二元稀溶液合金的多晶相场模型,对等温凝固下多个枝晶的生长进行研究。发现枝晶臂由于多晶相互竞争生长而发生变形和弯曲,大量溶质在枝晶间富集和偏聚,抑制了枝晶的生长;同时,从枝晶生长动力学出发,将模拟结果与经典JMAK理论和Starink唯象理论进行对比,发现相场模拟结果与Starink唯象理论预测比较吻合,而JMAK理论由于忽略颗粒间的软碰撞效应和相互阻挡效应,导致其在描述多个枝晶生长行为时失真。c）建立耦合温度场的多晶相场模型,对非等温凝固下单个和多个枝晶的生长进行研究。发现热扩散系数越大,凝固潜热排出越快,枝晶生长速度越快,枝晶尺寸就越大;而增大过冷度,会导致凝固驱动力增强,凝固潜热释放速度和枝晶生长速度加快,枝晶转变的固相体积分数增大,大量溶质在液固界面处或枝晶间富集。d)利用修改后的Karma定向凝固相场模型,对柱状晶的生长形貌进行研究。发现各向异性强度的越大,柱状晶尖端半径就越小,柱状晶生长速度越快;在固定相场参数和温度梯度的前提下,随着冷速的增大,柱状晶的尖端半径增大,液固界面推移速度和柱状晶生长速度加快,柱状晶尖端区面积减小而糊状区增大,柱状晶转变的固相体积分数增大,但一次枝晶臂间距减小;在固定相场参数及冷速的前提下,增大温度梯度,液固界面推移速度和柱状晶生长速度无明显变化,但是柱状晶尖端区面积减小而糊状区增大,柱状晶转变的固相体积分数也增大,而一次枝晶臂间距减小;对枝晶择优取向与热流方向不同初始夹角下的柱状晶生长进行研究,发现随着夹角的增大,柱状晶形貌逐渐改变,液固界面移动速率降低,一次枝晶臂间距逐渐也增大,从而促进了二次枝晶臂的发育和生长。e)利用同步辐射原位成像技术,对Mg-6Gd（wt.%）合金的凝固过程进行实时动态观测。发现在温度梯度固定（=5K/mm）的前提下,依次改变冷速会得到形貌不同的枝晶。冷速较大时（1K/s≤）,主要得到六方等轴晶和不规则的“蝶状晶”,与六方等轴枝晶的生长行为不同,大量溶质在“蝶状晶”的长轴枝晶臂和短轴枝晶臂的中心富集并形成一条富集带;当冷速降低到0.51K/s之间时,观测到等轴晶向柱状晶的转变;当冷速小于0.5K/s时,主要得到柱状晶的生长;此外,还观测到了枝晶的漂移、碰撞、旋转等动态行为。f)耦合相场模型和同步辐射原位成像技术,研究低冷速（0.0330.25K/s）对柱状晶生长的影响。发现冷速越大,柱状晶排列越紧密,一次枝晶臂间距也越小;此外,通过相场模拟发现,液固界面的移动速率和枝晶转变的固相体积分数都随着冷速的增大而增大,模拟结果与实验观测结果相符。
江新焱[9]（2014）在《基于相场法的激光熔注涂层凝固结晶研究》文中研究指明激光熔注是一种新型的表面强化技术，适合于制备高耐磨、耐腐蚀和耐高温的梯度过渡复合涂层。在激光熔注过程中，熔注层的微观组织和增强颗粒的分布对熔注层的性能和寿命起到决定性作用。因此研究熔注层的微观组织有利于控制材料的性能，并设计合理的工艺参数，促进激光熔注技术的工业应用。本文采用相场法研究激光熔注熔池凝固过程中枝晶生长过程，研究对流、增强颗粒以及外界因素对枝晶形貌的影响，为激光熔注涂层性能的预测奠定基础。基于纯物质Wheeler模型，通过引入浓度场参数建立了镁合金相场模型，并结合材料的物性参数，研究了过冷度对单枝晶生长的影响。依据随机格子法原理建立了多晶粒相场模型，模拟了多枝晶的生长过程，以及温度梯度和冷却速度对多枝晶生长的影响，再现了枝晶间内部区域的干扰作用；温度梯度使得各个枝晶尺寸沿热流方向依次增大；冷却速度导致枝晶生长速度变大，枝晶臂变得粗大且枝晶臂间出现合并粗化现象。基于多晶粒相场模型，建立了耦合流场的相场模型，研究了对流对二元合金枝晶生长的影响。研究表明，熔体的流动能够改变枝晶的温度场和浓度场分布，从而影响多枝晶的生长。在对流作用下，枝晶上游侧受到熔体的冲刷，下游侧冲刷作用力弱，导致枝晶上游侧枝晶前端的温度边界层薄而下游侧厚，从而使得枝晶上游侧实际过冷度大，枝晶生长速度快；而枝晶下游侧实际过冷度小，枝晶生长速度缓慢，最终导致枝晶上游枝晶发达而下游枝晶退化。且随着对流速度的增大，这种现象越明显。增强颗粒体积分数越大，增强颗粒对枝晶的作用范围大，对枝晶形貌的影响越大；且在一定体积分数下，颗粒尺寸越小，颗粒分布区域广，对枝晶形貌影响最大。在研究温度梯度、冷却速度、对流以及增强颗粒对微观组织的影响中，颗粒对枝晶形貌的完整性影响最大
杜立飞[10]（2014）在《复杂条件下金属凝固过程的相场方法模拟研究》文中指出金属合金的凝固是多场耦合作用下的复杂相变过程，它是一个混合着相变热力学（相平衡、相界面、化学平衡），凝固动力学（溶质再分配、形核、生长）以及各种传输现象（传热、传质、对流）的复杂过程，且凝固过程大都是在高温下进行，不易直接测量和观察微观组织演化规律，所以对凝固过程的实验研究变得较为困难，这也使得计算模拟技术成为研究凝固过程经济而有效的方法。相场方法作为近几十年发展起来的相变过程模拟技术，已经在金属凝固领域得到了广泛深入的应用，成为研究各种复杂条件下凝固过程的重要手段之一。本论文将利用相场模拟的方法，对纯金属Ni及二元Ni-Cu合金的凝固过程进行计算模拟，并且考虑横向限制，边界热流及液相流动对凝固过程中传热，传质及微观组织演化的影响，研究复杂条件作用下的凝固过程，为凝固过程控制提供理论指导。本文的研究内容和主要结论如下：1.利用相场方法模拟了非连续界面存在下的纯金属Ni凝固过程中的枝晶生长，研究结果表明：横向限制的存在对纯金属凝固过程中的枝晶形貌演化具有重要影响，且不同性质横向挡板对纯金属Ni枝晶生长形态具有不同的影响。2.不同形状的横向限制对纯金属Ni凝固过程中枝晶间距调整具有不同的作用：上三角形挡板对枝晶间距的改变最明显；下三角形及矩形的横向限制对枝晶间距具有一定的控制作用，即不同初始间距枝晶绕过这两类挡板后具有基本相同的重新发育模式；不同尺寸梯形挡板对于枝晶间距具有完全不同的调整作用。3.凝固过程中横向限制的存在可以明显改变Ni-Cu合金枝晶演化过程，且会影响相变过程中的溶质传输和热量传导，引起溶质截留效应的改变和温度分布的变化。不同尺寸的矩形挡板对枝晶生长发育具有不同的作用，且挡板的存在能够影响穿过挡板间隙枝晶的发育速度，改变枝晶的微观组织结构。4.利用耦合流场方程的非等温相场模型模拟了不同初始流速下的Ni-Cu合金枝晶生长发育过程。研究发现：随着微观流场的引入，枝晶微观结构沿流场方向不对称发育，且随流场速度增加，不对称性也增大。流场的存在将明显改变流场不同区域固液界面处的溶质偏析效应。同时，流场的存在也能够影响计算区域的传热过程，导致温度分布的不对称效应，且随着液相流速的增大，计算区域的最大温度，最低温度和平均温度均增大，且上游区域的温度始终高于下游区域的温度。5.利用非等温的相场模型，计算了在边界上施加热流作用情况下，Ni-Cu合金的枝晶生长过程。研究发现：边界上的加热效应，能够明显升高计算区域的温度，抑制枝晶的生长发育，而边界上的抽热则会通过降低温度而促进枝晶的生长和发育。不同的边界热处理也会引起枝晶内部溶质分布规律的变化，且在特定大小的边界抽热条件下，枝晶内部的溶质分布将保持均匀，说明溶质扩散以稳定的速率进行，这主要是边界抽热能够平衡相变过程中潜热释放引起的温度升高。6.利用非等温的相场模型，模拟了不同方向的边界热流对定向凝固条件下Ni-Cu合金柱状晶发育过程的影响。研究发现：温度对非等温凝固过程中溶质扩散及微观组织演化具有直接的影响，垂直于柱状晶生长方向的热流将会影响相变界面附近的温度分布，引起扩散水平的改变，最终引发不规则的柱状晶发育；而平行于柱状晶生长方向的边界热流虽然能够改变整个区域的温度分布，但基本不会影响液固界面附近的温度，这使得柱状晶生长基本保持稳定的水平发育。随着温度场随时间的变化，柱状晶内部的溶质分布也发生变化。7.利用非等温的相场模型，计算了不同微观流场及边界热流共同作用下的二元Ni-Cu合金凝固过程。研究发现：大的边界热流作用将会明显改变枝晶发育过程中的溶质和温度分布，最终改变枝晶的微观形貌，减弱微观流场对枝晶形貌的影响。通过对比不同初始流速及边界热流作用下的枝晶微观组织演化过程发现：二次枝晶发育随着流速及抽热速率的改变出现了不同的发育模式，从而得到初始流速及边界热流共同作用下二次枝晶发育模式选择的相图：小的边界热流和大的初始流速作用下，枝晶的二次枝晶主要沿流场方向发育，且流场上游枝晶发育充分；大的边界热流与小的初始流速作用下的二次枝晶沿温度梯度方向快速发育，且当边界抽热速率足够大时，枝晶的稳定发育模式应该是柱状晶形态，但边界热流太大时，固相将以平界面形态生长；两种稳定形态中间存在一个过渡区，且随着初始流速的增大，过渡区宽度增大且向边界热流增大方向移动。
二、Effects of temperature boundary conditions on equiaxed dendritic growth in phase-field simulations of binary alloy（论文开题报告）
（1）论文研究背景及目的
此处内容要求：
首先简单简介论文所研究问题的基本概念和背景，再而简单明了地指出论文所要研究解决的具体问题，并提出你的论文准备的观点或解决方法。
写法范例：
本文主要提出一款精简64位RISC处理器存储管理单元结构并详细分析其设计过程。在该MMU结构中,TLB采用叁个分离的TLB,TLB采用基于内容查找的相联存储器并行查找,支持粗粒度为64KB和细粒度为4KB两种页面大小,采用多级分层页表结构映射地址空间,并详细论述了四级页表转换过程,TLB结构组织等。该MMU结构将作为该处理器存储系统实现的一个重要组成部分。
（2）本文研究方法
调查法：该方法是有目的、有系统的搜集有关研究对象的具体信息。
观察法：用自己的感官和辅助工具直接观察研究对象从而得到有关信息。
实验法：通过主支变革、控制研究对象来发现与确认事物间的因果关系。
文献研究法：通过调查文献来获得资料，从而全面的、正确的了解掌握研究方法。
实证研究法：依据现有的科学理论和实践的需要提出设计。
定性分析法：对研究对象进行“质”的方面的研究，这个方法需要计算的数据较少。
定量分析法：通过具体的数字，使人们对研究对象的认识进一步精确化。
跨学科研究法：运用多学科的理论、方法和成果从整体上对某一课题进行研究。
功能分析法：这是社会科学用来分析社会现象的一种方法，从某一功能出发研究多个方面的影响。
模拟法：通过创设一个与原型相似的模型来间接研究原型某种特性的一种形容方法。
三、Effects of temperature boundary conditions on equiaxed dendritic growth in phase-field simulations of binary alloy（论文提纲范文）
（1）CA法模拟铁素体不锈钢凝固过程中的形核和长大行为（论文提纲范文）
| 摘要 |
| abstract |
| 1 绪论 |
| 1.1 研究背景及意义 |
| 1.2 凝固过程和微观组织的数值模拟 |
| 1.3 CA算法模拟枝晶的生长 |
| 1.3.1 介观尺度的CA算法 |
| 1.3.2 微观尺度的CA算法 |
| 1.3.3 网格效应与CA算法准确性 |
| 1.4 实际的凝固过程中微观组织模拟 |
| 1.5 相场模型模拟枝晶的生长 |
| 1.6 本文研究内容和技术方案 |
| 1.6.1 研究目标 |
| 1.6.2 研究内容 |
| 1.6.3 技术路线图 |
| 2 凝固微观组织模拟的基础模型 |
| 2.1 枝晶尖端稳态生长理论 |
| 2.2 枝晶生长CA模型的概述 |
| 2.3 CA模型的程序设计 |
| 2.3.1 形核模型 |
| 2.3.2 溶质扩散控制方程 |
| 2.3.3 生长动力学计算 |
| 2.3.4 界面元胞内溶质再分配 |
| 2.3.5 界面局部曲率计算与捕获规则 |
| 2.3.6 边界条件与收敛条件 |
| 2.4 枝晶生长算法流程 |
| 2.5 本章小结 |
| 3 枝晶生长模拟算例 |
| 3.1 单个等轴枝晶的生长 |
| 3.1.1 枝晶生长形貌 |
| 3.1.2 枝晶臂溶质成分分布 |
| 3.1.3 枝晶尖端生长速度 |
| 3.1.4 捕获规则对生长形貌的影响 |
| 3.1.5 不同晶体取向的枝晶生长 |
| 3.1.6 界面能各向异性对枝晶生长的影响 |
| 3.2 多个等轴枝晶的生长 |
| 3.3 柱状枝晶的生长 |
| 3.4 本章小结 |
| 4 振动激冷条件下枝晶生长数值模拟 |
| 4.1 模拟技术原理图 |
| 4.2 凝固微观组织的演化过程 |
| 4.2.1 枝晶的生长模拟结果 |
| 4.2.2 实验中的晶粒组织 |
| 4.3 过冷度对凝固组织的影响 |
| 4.3.1 枝晶的生长过程分析 |
| 4.3.2 溶质成分场分析 |
| 4.4 振动频率对凝固组织的影响 |
| 4.5 本章小结 |
| 5 结论 |
| 参考文献 |
| 硕士研究生学习阶段发表论文 |
| 致谢 |
（2）Ni-Sn合金枝晶生长的相场法模拟（论文提纲范文）
| 摘要 |
| abstract |
| 1 绪论 |
| 1.1 引言 |
| 1.1.1 研究背景及意义 |
| 1.2 相场法模拟的发展历程 |
| 1.2.1 从纯物质到多元合金的相场模拟研究 |
| 1.2.2 耦合外场或其它影响因素的相场法模拟研究 |
| 1.3 镍基合金微观结构演化研究现状 |
| 1.4 存在的主要问题 |
| 1.5 本文的研究目的和内容 |
| 2 相场模型 |
| 2.1 相场模型的热力学基础 |
| 2.1.1 尖锐界面模型 |
| 2.1.2 扩散界面模型 |
| 2.2 相场模型的动力学基础 |
| 2.3 相场模型的建立 |
| 2.3.1 相场基本原理 |
| 2.3.2 纯物质的相场模型 |
| 2.3.3 二元单相合金相场模型 |
| 2.4 相场模型参数 |
| 2.4.1 枝晶尖端生长速度与枝晶尖端曲率半径 |
| 2.4.2 二次枝晶间距与幅值 |
| 2.5 程序实现的流程图 |
| 3 过冷度对Ni-Sn合金枝晶生长的相场法模拟 |
| 3.1 引言 |
| 3.2 二元合金相场控制方程 |
| 3.2.1 相场方程 |
| 3.2.2 溶质扩散方程 |
| 3.2.3 温度场控制方程 |
| 3.2.4 扰动模型 |
| 3.3 计算参数的确定 |
| 3.3.1 初始及边界条件 |
| 3.3.2 数值计算方法 |
| 3.3.3 合金热物性参数 |
| 3.4 模拟结果及分析 |
| 3.4.1 过冷度系数对枝晶形貌的影响 |
| 3.4.2 高过冷度系数时的枝晶形貌 |
| 3.5 本章小结 |
| 4 不同界面下Ni-Sn合金枝晶生长的相场法模拟 |
| 4.1 引言 |
| 4.2 控制方程 |
| 4.2.1 耦合温度场的相场方程 |
| 4.2.2 溶质扩散方程 |
| 4.2.3 热扩散方程 |
| 4.3 计算参数的选择与确定 |
| 4.3.1 相场计算参数的确定 |
| 4.3.2 扰动的选择 |
| 4.3.3 界面厚度ξ的修正 |
| 4.4 数值计算 |
| 4.4.1 初始条件和边界条件 |
| 4.4.2 数值计算方法 |
| 4.5 模拟结果与分析 |
| 4.5.1 固/液界面热扩散系数比对枝晶形貌的影响 |
| 4.5.2 不同界面厚度对枝晶生长的影响 |
| 4.5.3 修正界面厚度ξ中τ对枝晶生长的影响 |
| 4.6 本章小结 |
| 5 Ni-Sn合金等轴枝晶的三维相场模拟 |
| 5.1 引言 |
| 5.2 等轴枝晶生长的相场模型 |
| 5.3 Ni-Sn合金等轴枝晶的生长过程 |
| 5.4 界面能各向异性参数对枝晶形貌的影响 |
| 5.5 过饱和度对枝晶形貌的影响 |
| 5.6 本章小结 |
| 6 结论 |
| 参考文献 |
| 致谢 |
（3）Ti-Al合金枝晶生长的相场法模拟（论文提纲范文）
| 摘要 |
| abstract |
| 1 绪论 |
| 1.1 凝固微观组织的模拟研究 |
| 1.1.1 枝晶 |
| 1.1.2 凝固过程微观组织的模拟方法 |
| 1.1.3 新兴微观组织模拟方法 |
| 1.2 枝晶生长的相场法研究进展 |
| 1.2.1 Ti-Al合金的介绍及相场法研究 |
| 1.2.2 国内外相场法研究情况 |
| 1.2.3 倾斜枝晶的研究进展 |
| 1.3 晶体生长理论 |
| 1.3.1 形核理论 |
| 1.3.2 Ivantsov模型 |
| 1.3.3 最大生长速度方程 |
| 1.3.4 微观可解原理 |
| 1.3.5 临界稳定性原理 |
| 1.3.6 微观偏析原理 |
| 1.4 主要研究内容与现存问题 |
| 1.4.1 选题依据及意义 |
| 1.4.2 研究内容 |
| 1.4.3 现存问题 |
| 2 相场模型 |
| 2.1 相场模型的基本原理 |
| 2.1.1 金兹堡-朗道相变理论 |
| 2.1.2 Ginzburg-Landau动力学方程 |
| 2.1.3 基于自由能泛函的相场模型 |
| 2.1.4 基于熵泛函的相场模型 |
| 2.2 相场模型 |
| 2.2.1 等轴枝晶的相场模型 |
| 2.2.2 定向凝固柱状枝晶的相场模型 |
| 2.3 其他影响因素的引入 |
| 2.3.1 界面各向异性 |
| 2.3.2 噪声 |
| 2.4 相场模型的求解 |
| 2.4.1 网格剖分方法 |
| 2.4.2 控制方程的离散处理 |
| 2.4.3 数值算法 |
| 2.5 相场参数的选取 |
| 2.5.1 模拟材料物性参数 |
| 2.5.2 相场模型参数 |
| 2.5.3 其他参数 |
| 2.6 模拟结果的后处理 |
| 2.6.1 模拟结果的获取 |
| 2.6.2 模拟结果的可视化 |
| 2.7 本章小节 |
| 3 等轴枝晶的生长模拟 |
| 3.1 等轴枝晶生长过程 |
| 3.2 过冷度对枝晶形貌的影响 |
| 3.3 过饱和度对枝晶形貌的影响 |
| 3.4 噪声对枝晶形貌的影响 |
| 3.5 本章小节 |
| 4 定向凝固枝晶的生长模拟 |
| 4.1 定向凝固柱状枝晶生长过程 |
| 4.2 抽拉速度对柱状枝晶生长的影响 |
| 4.3 噪声对柱状枝晶生长的影响 |
| 4.4 本章小节 |
| 5 倾斜枝晶的生长模拟 |
| 5.1 倾斜枝晶的生长形貌 |
| 5.2 不同倾斜角度下的倾斜枝晶形貌 |
| 5.3 倾斜角为45°时的枝晶形貌 |
| 5.4 温度梯度对倾斜枝晶生长的影响 |
| 5.5 与实验结果的论证与分析 |
| 5.6 本章小节 |
| 结论 |
| 参考文献 |
| 攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果 |
| 致谢 |
（4）合金凝固组织大尺度定量相场模拟与原位观察（论文提纲范文）
| 摘要 |
| ABSTRACT |
| 第1章 绪论 |
| 1.1 引言 |
| 1.2 枝晶生长实验观察 |
| 1.3 枝晶生长解析理论 |
| 1.3.1 枝晶生长中的热溶质传输 |
| 1.3.2 稳态枝晶生长理论 |
| 1.4 枝晶生长数值模拟 |
| 1.4.1 相场法理论基础 |
| 1.4.2 枝晶生长相场模拟 |
| 1.5 本文研究的目的、意义和主要内容 |
| 1.6 本章小结 |
| 第2章 大尺度多晶定量相场模拟快速计算方法 |
| 2.1 引言 |
| 2.2 大尺度多晶相场模拟快速计算模型及数值计算方法 |
| 2.2.1 相场模型的数学非线性预条件处理 |
| 2.2.2 多晶凝固过程中的晶界能与晶粒取向计算 |
| 2.2.3 数值计算方法 |
| 2.2.4 数值模拟测试 |
| 2.3 Al-Cu合金多晶凝固大尺度定量相场模拟 |
| 2.3.1 模型描述及数值计算 |
| 2.3.2 模拟结果分析与讨论 |
| 2.4 本章小结 |
| 第3章 2D和3D相场模拟定量对比 |
| 3.1 引言 |
| 3.2 模型描述及数值计算方法 |
| 3.2.1 耦合液体流动的二元合金凝固定量相场模型 |
| 3.2.2 界面层宽度W_0的收敛性测试 |
| 3.2.3 数值计算方法 |
| 3.3 模拟结果分析与讨论 |
| 3.3.1 模拟结果后处理 |
| 3.3.2 模拟结果与经典晶体生长理论对比 |
| 3.3.3 等轴晶形貌和液体流动 |
| 3.3.4 溶质成分 |
| 3.3.5 尖端生长速率和半径 |
| 3.4 本章小结 |
| 第4章 二元合金凝固过程微观偏析 |
| 4.1 引言 |
| 4.2 模型描述及数值计算方法 |
| 4.3 二元合金凝固过程微观偏析动力学 |
| 4.3.1 晶粒细化对微观偏析的影响 |
| 4.3.2 冷速对微观偏析的影响 |
| 4.3.3 固相背扩散对微观偏析的影响 |
| 4.4 二元合金凝固微观偏析新模型 |
| 4.5 本章小结 |
| 第5章 等轴晶生长动力学及形核过冷度确定新方法 |
| 5.1 引言 |
| 5.2 模型描述及数值计算方法 |
| 5.3 合金等轴晶生长动力学 |
| 5.3.1 Al-Cu合金等轴晶生长3D定量相场模拟 |
| 5.3.2 形核控制生长阶段的原位观察验证 |
| 5.4 合金凝固形核过冷度确定方法 |
| 5.4.1 形核控制生长阶段特征值与形核过冷度的关系 |
| 5.4.2 Al-Cu合金凝固大尺度定量相场模拟 |
| 5.5 本章小结 |
| 第6章 结论 |
| 参考文献 |
| 致谢 |
| 在读期间发表的学术论文与取得的其它研究成果 |
| 作者简介 |
（5）基于OpenCL并行的PF-LBM多场耦合相场模型研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 研究背景及意义 |
| 1.2 相场法的发展及研究现状 |
| 1.3 格子Boltzmann方法与相场法耦合的研究现状 |
| 1.4 格子Boltzmann方法在GPU计算中的应用 |
| 1.5 本文的主要研究内容 |
| 1.6 本文的结构安排 |
| 第二章 GPU并行计算技术 |
| 2.1 并行计算简介 |
| 2.2 OpenCL并行编程模型 |
| 2.2.1 OpenCL平台模型 |
| 2.2.2 OpenCL执行模型 |
| 2.2.3 内核在OpenCL设备上执行 |
| 2.2.4 OpenCL存储器模型 |
| 2.3 GPU计算模型 |
| 2.4 CPU+GPU异构集群 |
| 2.4.1 集群架构 |
| 2.4.2 集群通信分析 |
| 2.5 本章小结 |
| 第三章 LBM流动模型 |
| 3.1 格子Boltzmann方法的原理 |
| 3.1.1 LBM的基本模型 |
| 3.1.2 LBM方程的演化 |
| 3.2 离散速度模型 |
| 3.3 LBM方法的程序结构 |
| 3.4 边界条件处理 |
| 3.5 LBM模拟对流的可行性 |
| 3.6 本章小结 |
| 第四章 多场耦合相场模型 |
| 4.1 基本界面模型 |
| 4.1.1 尖锐界面模型 |
| 4.1.2 扩散界面模型 |
| 4.2 相场模型的基本原理 |
| 4.3 纯物质相场模型 |
| 4.3.1 数学模型 |
| 4.3.2 初始条件和边界条件 |
| 4.3.3 数值求解和参数设置 |
| 4.4 二元合金相场模型 |
| 4.4.1 数学模型 |
| 4.4.2 方程的离散 |
| 4.4.3 初始条件和边界条件 |
| 4.4.4 数值模拟和参数设置 |
| 4.5 本章小结 |
| 第五章 PF-LBM模型的OpenCL并行实现 |
| 5.1 PF-LBM模型 |
| 5.2 LBM方法的并行实现 |
| 5.3 PF-LBM模型的并行实现 |
| 5.3.1 并行性分析 |
| 5.3.2 并行过程分析 |
| 5.3.3 计算模型时序分析 |
| 5.4 计算效率分析 |
| 5.5 本章小结 |
| 第六章 对流作用下的枝晶生长形貌 |
| 6.1 强迫对流下模拟结果 |
| 6.1.1 流动对单枝晶生长形貌的影响 |
| 6.1.2 单枝晶生长形貌对流动的影响 |
| 6.1.3 流速对单枝晶生长形貌的影响 |
| 6.1.4 强迫对流作用下的多枝晶生长形貌 |
| 6.2 自然对流下模拟结果 |
| 6.3 本章小节 |
| 总结与展望 |
| 参考文献 |
| 致谢 |
| 附录A 攻读硕士期间所发表的论文 |
| 附录B 攻读硕士学位期间所参与的科研项目 |
（6）凝固过程中显微组织演化和气孔形成的实验和模拟研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 引言 |
| 1.2 凝固显微组织及凝固孔洞的理论研究 |
| 1.2.1 枝晶生长的理论研究 |
| 1.2.2 共晶凝固的理论研究 |
| 1.2.3 凝固孔洞的预测模型 |
| 1.3 凝固显微组织及显微孔洞的实验研究 |
| 1.3.1 枝晶组织的实验研究 |
| 1.3.2 共晶凝固组织的实验研究 |
| 1.3.3 凝固气泡形成及演化的实验研究 |
| 1.4 凝固显微组织的数值模拟研究 |
| 1.4.1 枝晶组织的数值模拟 |
| 1.4.2 共晶组织的数值模拟 |
| 1.4.3 凝固气孔的数值模拟 |
| 1.5 本课题的研究目的和研究内容 |
| 1.5.1 研究目的 |
| 1.5.2 本课题的研究内容 |
| 第二章 透明合金定向凝固原位观察实验方法 |
| 2.1 实验材料 |
| 2.2 实验装置基本原理及组成 |
| 2.3 实验方法与步骤 |
| 2.4 实验方案 |
| 2.5 本章小结 |
| 第三章 数值模型与算法 |
| 3.1 模拟二元合金枝晶的CA模型 |
| 3.2 模拟Al-Si合金非规则共晶的CA模型 |
| 3.3 模拟浓度场的有限差分法及温度场处理方法 |
| 3.4 模拟气/液/固多相流的单组份多松弛LBM模型 |
| 3.5 LBM模型的边界条件 |
| 3.5.1 周期性边界条件 |
| 3.5.2 反弹边界条件 |
| 3.5.3 非平衡外推格式的第一类边界条件 |
| 3.6 CA-FDM-LBM模型的耦合 |
| 3.6.1 二元合金枝晶生长和气泡形成的耦合模型 |
| 3.6.2 二元合金枝晶共晶生长和气泡形成的耦合模型 |
| 3.7 本章小结 |
| 第四章 透明合金定向凝固枝晶生长与气泡形成的实验研究 |
| 4.1 枝晶竞争生长 |
| 4.1.1 发散双晶竞争生长 |
| 4.1.2 汇聚双晶竞争生长 |
| 4.1.3 择优取向相同枝晶的竞争生长 |
| 4.2 凝固条件对一次枝晶间距的影响 |
| 4.2.1 恒定抽拉速度对一次枝晶间距的影响 |
| 4.2.2 抽拉速度突变对一次枝晶间距的影响 |
| 4.2.3 温度梯度对一次枝晶间距的影响 |
| 4.3 气泡与枝晶相互作用 |
| 4.3.1 位于一次枝晶尖端气泡与枝晶的相互作用 |
| 4.3.2 位于一次枝晶通道间气泡形状的演化 |
| 4.3.3 气泡与凝固前沿的协同生长 |
| 4.3.4 气泡与凝固前沿的竞争生长 |
| 4.4 气泡在枝晶通道间迁移 |
| 4.4.1 气泡跃迁 |
| 4.4.2 气泡分离与合并 |
| 4.5 本章小结 |
| 第五章 枝晶共晶生长及气泡形成的模拟研究 |
| 5.1 定向凝固枝晶生长的数值模拟 |
| 5.1.1 定向凝固柱状枝晶的稳态生长 |
| 5.1.2 择优取向相同枝晶的竞争生长 |
| 5.1.3 汇聚双晶竞争生长 |
| 5.1.4 发散双晶竞争生长 |
| 5.2 柱状枝晶生长与气泡形成的数值模拟 |
| 5.2.1 位于枝晶尖端的气泡对枝晶形貌的影响 |
| 5.2.2 位于枝晶间的气泡对枝晶形貌的影响 |
| 5.3 Al-Si合金等轴枝晶共晶生长与气泡形成的数值模拟 |
| 5.3.1 等轴枝晶、共晶生长及气泡形成的形貌演变 |
| 5.3.2 初始Si成分的影响 |
| 5.3.3 初始H浓度的影响 |
| 5.4 本章小结 |
| 第六章 结论 |
| 参考文献 |
| 硕士期间的学术成果 |
| 致谢 |
（7）面向多元镁合金压力下凝固微观组织实验研究及相场建模（论文提纲范文）
| 摘要 |
| abstract |
| 第1章 绪论 |
| 1.1 课题背景及意义 |
| 1.2 国内外研究现状综述 |
| 1.2.1 挤压铸造过程微观组织的实验研究进展 |
| 1.2.2 压力下透明合金枝晶生长的原位观察实验研究进展 |
| 1.2.3 凝固微观组织的相场法模拟研究进展 |
| 1.2.4 压力下热力学计算的研究现状 |
| 1.3 本文的研究内容 |
| 第2章 压力下枝晶演化过程的原位观察实验研究 |
| 2.1 引言 |
| 2.2 实验装置的设计构建及实验方法 |
| 2.2.1 实验装置的设计与构建 |
| 2.2.2 实验样品 |
| 2.2.3 实验方法、步骤和条件 |
| 2.2.4 实验数据的处理方法 |
| 2.3 压力下凝固枝晶生长的原位观察实验研究 |
| 2.3.1 不同恒压对枝晶生长动力学的影响 |
| 2.3.2 “升-降”压及周期性“升-降”压对枝晶生长动力学的影响 |
| 2.3.3 不同压力速率对枝晶生长动力学的影响 |
| 2.3.4 压力与枝晶生长动力学的理论关系 |
| 2.4 本章小结 |
| 第3章 压力下纯物质枝晶生长的相场模拟研究 |
| 3.1 引言 |
| 3.2 压力下纯物质枝晶生长的相场模型 |
| 3.2.1 相场控制方程 |
| 3.2.2 压力的影响 |
| 3.2.3 控制方程的求解算法 |
| 3.2.4 模拟条件和参数 |
| 3.3 “升-降”压力对枝晶演化过程影响的模拟研究 |
| 3.3.1 枝晶生长过程 |
| 3.3.2 临界熔化时刻 |
| 3.3.3 重熔过程 |
| 3.4 不同压力速率对枝晶生长动力学影响的模拟研究 |
| 3.5 本章小结 |
| 第4章 耦合压力下热力学模型的三元镁合金凝固过程微观组织相场建模 |
| 4.1 引言 |
| 4.2 三元镁合金压力下热力学建模 |
| 4.2.1 常压下热力学模型 |
| 4.2.2 压力下热力学建模 |
| 4.2.3 压力下热力学模型的检验 |
| 4.3 耦合压力下热力学模型的三元镁合金相场建模 |
| 4.3.1 常压下三元相场模型 |
| 4.3.2 耦合压力下热力学模型的三元镁合金相场建模 |
| 4.3.3 相场模型的数值求解和并行计算 |
| 4.3.4 模拟条件和参数 |
| 4.4 本章小结 |
| 第5章 三元镁合金压力下凝固微观组织演化的相场模拟和实验研究 |
| 5.1 引言 |
| 5.2 Mg-Al-Sn合金压力下凝固微观组织演化的相场模拟与实验研究 |
| 5.2.1 压力下凝固微观组织演化的动力学 |
| 5.2.2 压力下凝固的固液界面前沿溶质分配 |
| 5.2.3 压力下凝固的微观偏析 |
| 5.2.4 第三组元Sn对压力下生长动力学的影响 |
| 5.3 Mg-Gd-Y合金压力下凝固微观组织演化的相场模拟与实验研究 |
| 5.4 本章小结 |
| 第6章 结论 |
| 参考文献 |
| 致谢 |
| 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果 |
（8）铸造镁稀土合金凝固组织的相场法模拟和同步辐射表征（论文提纲范文）
| 摘要 |
| ABSTRACT |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 选题背景 |
| 1.2 凝固微观组织中的枝晶生长理论 |
| 1.2.1 Ivantsov枝晶模型 |
| 1.2.2 最大生长速度假设 |
| 1.2.3 临界稳定理论 |
| 1.2.4 微观可解理论 |
| 1.2.5 界面波理论 |
| 1.3 凝固过程中微观组织的模拟方法 |
| 1.3.1 确定性方法 |
| 1.3.2 随机性方法 |
| 1.3.3 界面跟踪法 |
| 1.3.4 水平集法 |
| 1.3.5 相场方法 |
| 1.4 相场法在凝固枝晶生长的应用 |
| 1.4.1 相场法基本原理 |
| 1.4.2 相场法模拟凝固枝晶生长的研究现状 |
| 1.4.3 镁合金枝晶生长的相场法模拟 |
| 1.5 同步辐射成像技术在枝晶生长研究中的应用 |
| 1.5.1 同步辐射成像技术原理 |
| 1.5.2 同步辐射成像技术在枝晶生长中的研究现状 |
| 1.6 铸造Mg-Gd系合金 |
| 1.7 本文选题意义和主要研究内容 |
| 1.7.1 选题目的及意义 |
| 1.7.2 主要研究内容 |
| 参考文献 |
| 第二章 相场模型及实验方法 |
| 2.1 引言 |
| 2.2 相场模型 |
| 2.2.1 基于熵函数的相场模型 |
| 2.2.2 基于自由能函数的相场模型 |
| 2.2.3 纯金属相场模型 |
| 2.2.4 各向异性 |
| 2.2.5 扰动项的引入 |
| 2.2.6 相场模型的求解 |
| 2.3 后处理及编程思路 |
| 2.4 同步辐射成像实验 |
| 2.4.1 实验平台及设备 |
| 2.4.2 合金样品制备 |
| 2.5 本章小结 |
| 参考文献 |
| 第三章 Mg-Gd合金等温凝固下枝晶生长的相场模拟 |
| 3.1 引言 |
| 3.2 Mg-Gd二元合金相场模型 |
| 3.2.1 自由能密度 |
| 3.2.2 平衡状态下的浓度c_0(χ)和相场φ_0(χ)分布 |
| 3.2.3 动力学方程 |
| 3.2.4 参数选择及初步结果 |
| 3.3 相场参数对枝晶形貌的影响 |
| 3.3.1 各向异性对枝晶形貌的影响 |
| 3.3.2 空间步长选取对枝晶形貌的影响 |
| 3.3.3 噪声对枝晶形貌的影响 |
| 3.4 Mg-Gd二元合金多个枝晶生长模拟 |
| 3.4.1 取向场法 |
| 3.4.2 多相场法 |
| 3.4.3 连续相场法 |
| 3.4.4 基于连续相场的二元合金等温凝固多晶相场模型 |
| 3.4.5 二元合金等温凝固过程中的多晶生长 |
| 3.4.6 多枝晶生长动力学 |
| 3.5 本章小结 |
| 参考文献 |
| 第四章 Mg-Gd合金非等温凝固下等轴晶和柱状晶生长的相场模拟 |
| 4.1 引言 |
| 4.2 非等温凝固下等轴晶生长的相场模拟 |
| 4.2.1 耦合温度场的相场模型 |
| 4.2.2 非等温凝固下单个枝晶相貌演化 |
| 4.2.3 非等温凝固下多晶形貌演化 |
| 4.3 定向凝固下枝晶生长的相场模拟 |
| 4.3.1 相场模型修正 |
| 4.3.2 各向异性对柱状晶的影响 |
| 4.3.3 温度参数对柱状晶的影响 |
| 4.3.4 取向参数对柱状晶的影响 |
| 4.4 小结 |
| 参考文献 |
| 第五章 Mg-Gd合金的同步辐射原位表征 |
| 5.1 引言 |
| 5.2 同步辐射原位成像 |
| 5.2.1 实验过程 |
| 5.2.2 等轴晶的生长 |
| 5.2.3 等轴晶向柱状晶的转变 |
| 5.2.4 柱状晶的生长 |
| 5.2.5 枝晶形核生长机制 |
| 5.2.6 枝晶的断裂、漂移、碰撞及旋转 |
| 5.3 实验观测结果与相场模拟对比 |
| 5.3.1 等轴晶形貌对比 |
| 5.3.2 柱状晶形貌对比 |
| 5.4 本章小结 |
| 参考文献 |
| 第六章 结论和创新点 |
| 6.1 结论 |
| 6.2 创新点 |
| 致谢 |
| 攻读博士期间发表的学术论文及奖励 |
（9）基于相场法的激光熔注涂层凝固结晶研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| ABSTRACT |
| 目录 |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 激光熔注概述 |
| 1.1.1 激光熔注技术原理 |
| 1.1.2 激光熔注与其它激光表面强化技术的区别 |
| 1.1.3 激光熔注的研究现状 |
| 1.2 微观组织模拟研究 |
| 1.2.1 确定性模拟方法 |
| 1.2.2 随机性模拟方法 |
| 1.2.3 相场模拟法 |
| 1.3 课题的背景与意义 |
| 1.4 本课题研究的主要内容 |
| 第二章 晶粒生长相场模型的建立 |
| 2.1 相场模型的原理 |
| 2.1.1 基于熵函数的相场模型 |
| 2.1.2 基于自由能函数的相场模型 |
| 2.1.3 基于纯物质的相场模型转化为合金的相场模型 |
| 2.2 相场模型的建立 |
| 2.2.1 二元合金的相场模型 |
| 2.2.2 多晶粒的相场模型 |
| 2.2.3 耦合流场的相场模型 |
| 2.3 本章小结 |
| 第三章 相场模型的数值求解 |
| 3.1 纯扩散相场模型数值求解 |
| 3.1.1 相场控制方程的离散 |
| 3.1.2 温度场控制方程的离散 |
| 3.1.3 浓度场控制方程的离散 |
| 3.1.4 方程求解的稳定性 |
| 3.1.5 初始条件和边界条件 |
| 3.2 对流下的相场模型数值求解 |
| 3.2.1 温度场控制方程的离散 |
| 3.2.2 浓度场控制方程的离散 |
| 3.2.3 动量方程和质量方程的离散 |
| 3.2.4 初始条件和边界条件 |
| 3.3 材料的物性参数 |
| 3.4 本章小结 |
| 第四章 激光熔注下的镁合金枝晶非等温模拟 |
| 4.1 过冷度对单个枝晶形貌的影响 |
| 4.2 多晶粒的枝晶形貌 |
| 4.3 温度梯度对多晶粒枝晶形貌的影响 |
| 4.4 冷却速度对多晶粒枝晶形貌的影响 |
| 4.5 本章小结 |
| 第五章 对流对凝固组织的影响 |
| 5.1 对流作用下单晶粒枝晶生长演变过程 |
| 5.2 对流作用下多晶粒枝晶生长演变过程 |
| 5.3 不同流速对枝晶生长形貌的影响 |
| 5.4 流速和不同温度梯度下的枝晶形貌的影响 |
| 5.5 流速对不同冷却速度下的枝晶形貌的影响 |
| 5.6 本章小结 |
| 第六章 二相粒子对凝固组织的影响 |
| 6.1 增强颗粒体积分数对凝固组织的影响 |
| 6.2 增强颗粒尺寸对凝固组织的影响 |
| 6.3 不同温度梯度对存在增强颗粒的凝固组织的影响 |
| 6.4 不同冷却速度下对存在增强颗粒的凝固组织的影响 |
| 6.5 对流和二相粒子共同对枝晶形貌的影响 |
| 6.6 本章小结 |
| 第七章 总结与展望 |
| 7.1 结论 |
| 7.2 展望 |
| 参考文献 |
| 个人简历在读期间发表的学术论文 |
| 致谢 |
（10）复杂条件下金属凝固过程的相场方法模拟研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 论文主要创新与贡献 |
| 目录 |
| 第一章 文献综述 |
| 1.1 选题背景及意义 |
| 1.2 晶体生长理论 |
| 1.2.1 形核理论 |
| 1.2.2 枝晶生长理论 |
| 1.2.3 微观偏析效应 |
| 1.3 凝固过程的微观组织数值模拟方法 |
| 1.3.1 确定性方法 |
| 1.3.2 随机性方法 |
| 1.3.3 直接模拟方法 |
| 1.4 微观组织模拟的相场方法及其发展概况 |
| 1.4.1 相场基本原理 |
| 1.4.2 相场模型的建立 |
| 1.4.3 相场模型参数的确定 |
| 1.4.4 相场方法在凝固微观组织模拟中的应用 |
| 1.5 本研究领域存在的问题与不足 |
| 1.6 本文的主要研究工作 |
| 第二章 相场模型及数值求解 |
| 2.1 相场方法基本原理 |
| 2.2 纯物质扩散模型 |
| 2.2.1 纯金属体系的自由能 |
| 2.2.2 相场控制方程 |
| 2.2.3 温度场控制方程 |
| 2.3 单相二元合金相场模型 |
| 2.3.1 基于熵泛函的二元合金相场模型 |
| 2.3.2 反溶质截留 |
| 2.3.3 耦合流场的二元合金相场模型 |
| 2.4 相场模型参数取值 |
| 2.5 控制方程的离散 |
| 2.5.1 时间域离散 |
| 2.5.2 空间离散 |
| 2.5.3 稳定性条件 |
| 2.5.4 基本初始条件和边界条件 |
| 2.6 流场控制方程的离散 |
| 2.6.1 连续性方程 |
| 2.6.2 动量守恒方程 |
| 2.7 模拟结果的后处理 |
| 2.7.1 基于Origin软件的数据可视化处理 |
| 2.7.2 基于Gnuplot软件的数据可视化处理 |
| 2.8 程序编制 |
| 2.9 本章小结 |
| 第三章 横向限制下凝固微观组织演化 |
| 3.1 非连续界面对凝固过程的影响 |
| 3.2 横向限制对纯金属凝固过程的影响 |
| 3.2.1 物性参数 |
| 3.2.2 初始及边界条件 |
| 3.2.3 模拟结果及分析讨论 |
| 3.3 横向限制存在对合金凝固过程的影响 |
| 3.3.1 物性参数 |
| 3.3.2 初始及边界条件 |
| 3.3.3 模拟结果及分析讨论 |
| 3.4 本章小结 |
| 第四章 流场及边界热流作用下的合金凝固过程 |
| 4.1 强迫对流作用下的合金凝固过程 |
| 4.1.1 边界及初始条件 |
| 4.1.2 结果分析与讨论 |
| 4.2 边界热流作用下的枝晶生长过程 |
| 4.2.1 初始及边界条件 |
| 4.2.2 过冷熔体中的自由枝晶生长 |
| 4.2.3 边界热流作用下的枝晶生长 |
| 4.2.4 不同大小边界热流对枝晶生长过程的影响 |
| 4.3 边界热流作用下的柱状晶生长过程 |
| 4.3.1 初始及边界条件 |
| 4.3.2 边界热流作用下的柱状晶生长过程 |
| 4.3.3 不同方向边界热流对柱状晶生长过程的影响 |
| 4.4 本章小结 |
| 第五章 凝固过程中流场与边界热流的竞争效应 |
| 5.1 流场与边界热流共同作用下的枝晶生长过程 |
| 5.1.1 初始及边界条件 |
| 5.1.2 结果及分析讨论 |
| 5.2 流场与边界热流共同作用下的定向凝固过程 |
| 5.2.1 初始及边界条件 |
| 5.2.2 结果及分析讨论 |
| 5.3 本章小结 |
| 第六章 结论与展望 |
| 参考文献 |
| 攻读博士学位期间发表的学术论文 |
| 致谢 |
四、Effects of temperature boundary conditions on equiaxed dendritic growth in phase-field simulations of binary alloy（论文参考文献）
- [1]CA法模拟铁素体不锈钢凝固过程中的形核和长大行为[D]. 石钦. 西安建筑科技大学, 2021
- [2]Ni-Sn合金枝晶生长的相场法模拟[D]. 张迪. 中北大学, 2021(09)
- [3]Ti-Al合金枝晶生长的相场法模拟[D]. 杨帅. 中北大学, 2021(09)
- [4]合金凝固组织大尺度定量相场模拟与原位观察[D]. 巩桐兆. 中国科学技术大学, 2021(09)
- [5]基于OpenCL并行的PF-LBM多场耦合相场模型研究[D]. 王凯明. 兰州理工大学, 2020(02)
- [6]凝固过程中显微组织演化和气孔形成的实验和模拟研究[D]. 孙畅. 东南大学, 2019(03)
- [7]面向多元镁合金压力下凝固微观组织实验研究及相场建模[D]. 尚闪. 清华大学, 2018(06)
- [8]铸造镁稀土合金凝固组织的相场法模拟和同步辐射表征[D]. 王永彪. 上海交通大学, 2017(08)
- [9]基于相场法的激光熔注涂层凝固结晶研究[D]. 江新焱. 华东交通大学, 2014(04)
- [10]复杂条件下金属凝固过程的相场方法模拟研究[D]. 杜立飞. 西北工业大学, 2014(07)