【摘要】：文章在前期建立的微觀元胞自動(dòng)機(jī)模型的基礎(chǔ)上,耦合動(dòng)量傳輸模型、質(zhì)量傳輸模型和熱量傳輸模型,建立了考慮流體流動(dòng)的宏微觀多尺度二維枝晶生長(zhǎng)數(shù)學(xué)模型CA-FVM。并采用CA-FVM模型研究了強(qiáng)制對(duì)流作用下Fe-0.82C二元合金凝固過(guò)程枝晶生長(zhǎng)規(guī)律。數(shù)值模擬表明:強(qiáng)制對(duì)流明顯地改變了枝晶生長(zhǎng)規(guī)律,靠近強(qiáng)制對(duì)流入口處枝晶生長(zhǎng)受抑制作用較明顯,枝晶生長(zhǎng)較慢,遠(yuǎn)離強(qiáng)制對(duì)流入口處枝晶受抑制作用較弱,枝晶生長(zhǎng)較快。同時(shí),隨著強(qiáng)制對(duì)流強(qiáng)度的增加,枝晶生長(zhǎng)受熔體流動(dòng)的影響更加明顯,加劇了枝晶的非對(duì)稱生長(zhǎng)。
【圖文】：

圖1計(jì)算實(shí)例示意圖Fig．1Schematicdiagramoftwonumericalcases底部傳出，其余邊界為絕熱邊界條件。流體從計(jì)算區(qū)域左邊流入，右邊流出，底部為壁面邊界條件，頂部為對(duì)稱邊界條件。第二種情況(圖1(b))，計(jì)算區(qū)域?yàn)?08μm×408μm，計(jì)算區(qū)域底部和右邊分別等距離分布8個(gè)形核質(zhì)點(diǎn)，熱量從計(jì)算區(qū)域底部和右邊傳出，其余兩邊為絕熱邊界條件。流體從計(jì)算區(qū)域左邊流入，頂部流出，其余兩邊為壁面邊界條件。3結(jié)果與討論3．1第一種情況圖2為計(jì)算區(qū)域底部熱通量2．0MW/m2時(shí)，左側(cè)入口速度從0增加到0．005m/s對(duì)柱狀晶形貌和溶質(zhì)分布的影響。從圖中可以看出，在沒(méi)有流動(dòng)的定向凝固情況下，從計(jì)算區(qū)域底部形核的柱狀晶徑直向熔體內(nèi)部生長(zhǎng)，并將溶質(zhì)元素向固液界面前沿排除。由于溶質(zhì)元素在熔體中的擴(kuò)散較慢，因此，隨著柱狀晶繼續(xù)生長(zhǎng)，柱狀晶根部將會(huì)富集大量的溶質(zhì)元素，形成枝晶間溶質(zhì)偏析，這就是常說(shuō)的溶質(zhì)微觀偏析。同時(shí)，一次枝晶臂表面溶質(zhì)元素富集將會(huì)造成固液界面失衡，從而形成二次枝晶臂。此外，沒(méi)有流動(dòng)影響的柱狀晶形貌完全一樣，這是由于這4個(gè)人為設(shè)置的柱狀晶生長(zhǎng)位置相對(duì)較遠(yuǎn)，彼此將不存在競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)和相互影響，都能夠充分生長(zhǎng)。當(dāng)熔體中存在強(qiáng)制對(duì)流時(shí)，計(jì)算區(qū)域內(nèi)溶質(zhì)分布發(fā)生明顯的變化，枝晶生長(zhǎng)存在嚴(yán)重的不對(duì)稱，計(jì)算區(qū)域底部生長(zhǎng)的枝晶形貌相差甚遠(yuǎn)。當(dāng)左側(cè)入口流速為0．001m/s時(shí)，左側(cè)入口強(qiáng)制對(duì)流促使左側(cè)枝晶根部富集的溶質(zhì)元素翻越生長(zhǎng)的枝晶障礙逐漸向右側(cè)出口遷移，使得高濃度溶質(zhì)區(qū)波及靠近左側(cè)生長(zhǎng)的兩個(gè)柱狀晶，枝晶生長(zhǎng)受到明顯的抑制作用，枝晶生長(zhǎng)較慢。然而靠近右側(cè)出口的兩個(gè)枝晶則生長(zhǎng)較快，這是由于枝晶生長(zhǎng)前沿富集的溶質(zhì)在強(qiáng)制對(duì)流的作用下被帶走，從而使得枝晶尖端溶質(zhì)濃度梯度較大，枝晶生長(zhǎng)受到明顯的促進(jìn)作用。隨

圖2在相同底部熱通量2．0MW/m2和不同流體速度情況下生長(zhǎng)200ms后柱狀晶形貌Fig．2Columnardendritesafter200msunderheatfluxof2．0MW/m2withdifferentinletvelocities圖3熱通量和入口速度分別為1．5MW/m2和0．003m/s時(shí)，不同時(shí)間下柱狀晶形貌Fig．3Morphologyofcolumnardendriteswithheatfluxof1．5MW/m2andinletvelocityof0．003m/safter50ms，75msand100ms的柱狀晶從左到右，，受強(qiáng)制對(duì)流影響的程度依次減輕，枝晶生長(zhǎng)速度增加。且冷卻強(qiáng)度越大，靠近強(qiáng)制對(duì)流入口處枝晶生長(zhǎng)受抑制影響越大，遠(yuǎn)離強(qiáng)制對(duì)流入口處枝晶生長(zhǎng)受抑制越校3．2第二種情況圖5為第二種計(jì)算情況下，底部和右側(cè)熱通量為1．5MW/m2，強(qiáng)制對(duì)流速度從0增加到0．005m/s，枝晶生長(zhǎng)100ms后的形貌。同時(shí)，為了清晰地顯示計(jì)算區(qū)域內(nèi)流場(chǎng)，水平和豎直方向每隔10個(gè)節(jié)點(diǎn)畫(huà)一個(gè)矢量。從圖中可以看出，在無(wú)熔體流動(dòng)狀態(tài)下，計(jì)算區(qū)域底部和右側(cè)的枝晶均垂直于區(qū)域邊界，沿?zé)崃飨喾捶较虺垠w中心生長(zhǎng)。底部和右側(cè)生長(zhǎng)的柱狀晶在正方形計(jì)算區(qū)域?qū)蔷�處相遇，然后停止生長(zhǎng)。同時(shí)，枝晶生長(zhǎng)過(guò)程中排除的溶質(zhì)元素富集在枝晶干根部，在枝晶間形成富含溶質(zhì)區(qū)域。生長(zhǎng)過(guò)程中排除的溶質(zhì)元素富集在枝晶臂表面，使得固液界面失衡，產(chǎn)生二次枝晶臂。最終，計(jì)算區(qū)域內(nèi)形成沿左斜對(duì)角線對(duì)稱分布的枝晶形貌和溶質(zhì)分布圖。當(dāng)強(qiáng)制對(duì)流存在時(shí)，強(qiáng)制對(duì)流從計(jì)算區(qū)域左側(cè)進(jìn)入，頂部離開(kāi)，枝晶臂間形成渦流。枝晶生長(zhǎng)過(guò)程中排除的溶質(zhì)元素在強(qiáng)制對(duì)流的作用下向出口遷徙，從而在靠近強(qiáng)制對(duì)流入口處枝晶生長(zhǎng)前沿形成高濃度溶質(zhì)區(qū)域，抑制柱狀晶生長(zhǎng)。然而，在靠近流體出口處，枝晶生長(zhǎng)前沿排除的溶質(zhì)元素被強(qiáng)制對(duì)流帶走，枝晶生長(zhǎng)前沿生長(zhǎng)速率增加。隨著強(qiáng)制對(duì)流速度的增加，流體入口處高濃度溶質(zhì)區(qū)域擴(kuò)大，
【作者單位】： 東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院;鞍鋼集團(tuán)釩鈦(鋼鐵)研究院;
【基金】：教育部博士點(diǎn)新教師基金(20130042120042) 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51404062)~~
【分類號(hào)】：TG111.4

【參考文獻(xiàn)】

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【共引文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2528319