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模拟枝晶形貌的演变有利于对凝固组织更深层次的理解和控制,非平衡体系中的枝晶生长目前模拟采用的方法主要有:热焓法、元胞自动机法、蒙特卡罗法、前沿跟踪法和相场法。其中,相场方法不需要跟踪固/液界面,因此在模拟枝晶生长方面有独特的优势。
本文基于二维Wheeler相场模型,采用均匀网格的有限差分方法离散方程进行计算,并利用Matlab软件实现了程序的编制和模拟结果的可视化,计算了纯金属枝晶凝固尖端生长速度、尖端半径和固相分数等凝固参数,对无扰动和有扰动作用下的纯金属枝晶生长过程的枝晶形貌和温度场分布进行了数值模拟。
在无扰动的情况下,选取不同空间步长、各向异性系数、过冷度及耦合系数等参数的模拟结果表明:空间步长对计算精度和计算效率均有重要的影响,无量纲空间步长取0.01时可得到计算结果比较精确的枝晶形貌;各向异性系数和耦合系数过大时,枝晶界面不连续而出现棱角;过冷度较大时,界面容易生成侧枝。
在合理选择以上关键参数的基础上,模拟了耦合噪声时纯金属枝晶生长过程的枝晶形貌,模拟结果表明:热噪声可以引发侧向分枝,当幅值较小时,不影响枝晶尖端稳态行为;幅值较大时,尖端的稳态行为会受到影响,而界面扰动强度不影响尖端稳态行为。