基于元胞自動機-格子玻爾茲曼模型的枝晶碰撞行為模擬*

張士杰 王穎明 王琦 李晨宇 李日

(河北工業大學材料科學與工程學院,天津 300401)

合金凝固過程中,游離枝晶在熔體中的運動行為是研究合金凝固組織形成過程的關鍵問題之一.元胞自動機-格子玻爾茲曼耦合模型是近年來進行凝固微觀組織數值模擬的主要數值模型.本文改進了模擬枝晶生長的元胞自動機和格子玻爾茲曼模型,使其能夠模擬過冷熔體中等軸晶的運動行為.改進的模型采用伽利略不變的動量交換法計算流體力,通過求解質心運動方程計算枝晶的運動位移,并通過動網格技術實現枝晶的運動,運用硬球模型處理枝晶的碰撞.采用該模型模擬了Al-4.7%Cu 合金過冷熔體中單枝晶的沉降、牛頓流體中兩圓形粒子的沉降和兩枝晶的彈性碰撞.模擬結果表明,本模型在計算枝晶生長運動過程時可以很好地維持枝晶的形貌.采用本模型計算等軸枝晶的碰撞過程表明,枝晶的運動會擾動其周圍的熔體,造成周圍熔體濃度顯著變化,進而影響枝晶的生長,加劇枝晶生長的不對稱性.

1 引言

合金凝固過程中,鑄型壁面的表層細晶粒可能會脫落,已經凝固的枝晶臂(特別是二次枝晶臂)也可能發生熔斷現象,再加上在熔體中隨機出現的數量可觀的自由等軸晶,所以在液相區會出現大量游離的等軸晶,這些游離的等軸晶在重力和對流的推動下在合金熔體中運動(平移和旋轉),且常常會發生碰撞現象[1].熔體中游離枝晶的……