枝晶是金属凝固组织中的基本结构,它决定了铸件的力学性能,所以研究合金枝晶的生长过程具有重要的意义。微观组织数值模拟作为计算机数值模拟在金属凝固成型研究中的应用,具有效率高、成本低等优点,近年来成为金属成型的研究热点并取得了许多重要的进展。目前主要的微观组织数值模拟方法有确定性方法、随机方法、相场法。由于相场法不用跟踪固液界面且易与其他外部场耦合,已被广泛应用于凝固微观组织的模拟。本文利用Karma相场模型对Al-Zn合金的凝固过程进行了以下研究。1.通过查阅相关的文献,确定了相场参数w₀、τ₀的值的大小,对Al-Zn合金等轴晶的生长过程进行了模拟验证,证明模拟使用的相关参数是准确的,获得的模拟结果也与Karma的研究结果相一致。2.模拟了不同过饱和度、过冷度条件下的等轴晶生长,发现在枝晶生长达到稳定后,枝晶尖端生长速度与过冷度和过饱和度呈正比,枝晶尖端半径和过冷度呈反比;研究发现界面能各向异性参数的变化会引发等轴晶枝晶取向的转变,通过大量的模拟,重现了Al-Zn合金的枝晶取向转变现象;根据界面能各向异性取值范围的不同,Al-Zn合金的等轴晶可以分为三类:<100>枝晶、<110>枝晶、混合枝晶;通过在相场中耦合热扰动,研究了热扰动对等轴晶生长的影响:热扰动不会影响枝晶尖端的稳态行为,只会促发二次枝晶的产生,热扰动对二次枝晶间距无明显影响,扰动幅值的增大会使二次枝晶幅值增大。3.模拟了定向凝固枝晶的生长过程,并对温度梯度、推进速度、扰动等因素的影响进行了详细的分析:推进速度和温度梯度的增大都能加快定向凝固枝晶的生长,也会使二次枝晶更加发达,减小二次枝晶间的间隙,同时减轻溶质偏析现象,当温度梯度较大时,固液界面会以平面方式向前推进;热扰动不会影响定向凝固枝晶尖端的稳态行为,只会促发二次枝晶的生成和长大,形成不对称的枝晶;研究了枝晶取向对定向凝固枝晶形貌的影响,发现倾斜枝晶在X轴方向的长度小于正常的枝晶,随着倾斜角度的增大,倾斜枝晶在X轴方向的长度逐渐减小;倾斜枝晶上与温度梯度方向相同的二次枝晶生长加快,另一侧的二次枝晶的生长受到抑制;与正常枝晶相比,倾斜枝晶在竞争生长中处于劣势,一般会被淘汰掉。当倾斜角度较大时,初始的主枝晶可能会被其二者枝晶或者三次枝晶淘汰掉。