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基于元胞自动机方法的定向凝固枝晶竞争生长数值模拟
  • ISSN号:1000-3290
  • 期刊名称:物理学报
  • 时间:2014.9.23
  • 页码:188102(1-12)
  • 分类:O316[理学—一般力学与力学基础;理学—力学]
  • 作者机构:[1]清华大学材料学院,先进成形制造教育部重点实验室,北京100084
  • 相关基金:国家重点基础研究发展计划(批准号:2011CB706801)、国家自然科学基金(批准号:51374137,51171089)、国家高技术研究发展计划(批准号:2007AA042141)和国家科技重大专项(批准号:2012ZX04012-041-04,2011ZX04014-052)资助的课题.
  • 相关项目:定向凝固单晶涡轮叶片的再结晶数值模拟
中文摘要:

通过耦合温度场模型、溶质扩散方程以及枝晶生长动力学方程等重要因素,建立了一种改进的元胞自动机模型。该模型通过采用偏心算法消除网格各向异性,实现了二维尺度上任意角度枝晶生长的模拟,同时适用于模拟三维尺度上枝晶的生长过程。利用建立的模型开展了定向凝固枝晶竞争生长过程的数值模拟。为了体现本模型的有效性,模拟了透明合金的竞争生长过程,并与实验结果符合良好。镍基高温合金汇聚竞争和发散竞争的模拟结果清楚地展现了不同抽拉速度和枝晶优先生长角度下枝晶的竞争生长过程,并且模拟结果与理论模型相符合。三维枝晶生长的模拟结果表明本模型可以用来模拟三维枝晶一次臂间距的调整过程。

英文摘要:

Investigating the dendritic competitive growth mechanism is of great importance for directional solidification, and the numerical simulation technique is regarded as an effective approach to a description of microstructural evolution. Therefore, a modified cellular automaton model with decentered square algorithm is developed for quantitatively simulat-ing the dendritic competitive growth process. The model takes into account the simplified thermal field, solute diffusion, growth kinetics, etc., and the solid fraction increment calculation is achieved through local level rule method. The model is successfully used to describe the dendrites with various growth orientations and its availability in simulating dendritic competitive growth is verified by comparing with the experimental results of transparent alloy. For the nickel-based superalloy, the simulated results reveal that in the case of converging dendrites, the unfavorably oriented dendrite is able to overgrow the favorably oriented dendrite, which is dependent on the preferential growth angle. For the divergence case, the favorably oriented dendrite can overgrow the unfavorably oriented dendrite through side branching at the grain boundary. The competitive growth process is mainly controlled by the pulling rate and the preferential growth angle. Furthermore, the model is successfully extended to the simulation of three-dimensional dendritic competitive growth.

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期刊信息
  • 《物理学报》
  • 北大核心期刊(2011版)
  • 主管单位:中国科学院
  • 主办单位:中国物理学会 中国科学院物理研究所
  • 主编:欧阳钟灿
  • 地址:北京603信箱(中国科学院物理研究所)
  • 邮编:100190
  • 邮箱:apsoffice@iphy.ac.cn
  • 电话:010-82649026
  • 国际标准刊号:ISSN:1000-3290
  • 国内统一刊号:ISSN:11-1958/O4
  • 邮发代号:2-425
  • 获奖情况:
  • 1999年首届国家期刊奖,2000年中科院优秀期刊特等奖,2001年科技期刊最高方阵队双高期刊居中国期刊第12位
  • 国内外数据库收录:
  • 美国化学文摘(网络版),荷兰文摘与引文数据库,美国工程索引,美国科学引文索引(扩展库),英国科学文摘数据库,日本日本科学技术振兴机构数据库,中国中国科技核心期刊,中国北大核心期刊(2004版),中国北大核心期刊(2008版),中国北大核心期刊(2011版),中国北大核心期刊(2014版),中国北大核心期刊(2000版)
  • 被引量:49876