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《Physical Review Letters》: 远离平衡态条件下的合金凝固微观结构相场模型的研究

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美国东北大学和美国科罗拉多矿业学院研究人员对可用于预测远离平衡态条件下合金凝固微观结构的相场模型的研究成果发表在国际物理学权威期刊《Physical Review Letters》上。



研究人员介绍了一种新的合金快速凝固相场公式模型,定量地结合了在非常宽的界面速度范围内固液界面的非平衡效应。研究结果表明,在接近绝对稳定极限的速度下,由溶质捕集驱动的枝晶尖端生长动态的不稳定性。他们还观察到的带状组织的形成,揭示了这种不稳定性如何触发枝晶结构和无微偏析凝固之间的转换。预测的带间隔与快速凝固Al-Cu薄膜的观测结果一致。



1所示:(a) 界面速度接近绝对稳定极限时的尖端不稳定性;(b) 界面速度和在液相一侧的溶质浓度振荡。


在过去的二十年里,在合金凝固过程中形成的复杂界面模式建模方面取得了重大进展。这一进展的主要贡献是相场(PF)方法的出现,使实验相关长度和时间尺度上的研究成为可能。


相场方法(PF)是以热力学为基础的方法,常常用于模拟材料的相变和微观组织的演变。它是一种介观尺度的方法,其变量可以是抽象的非守恒量,来量度系统是否处于任何一个给定相(如固体、液体等);其变量也可以为守恒量,如浓度。


在本研究中,研究人员开发的一种PF方法,在远离平衡条件下定量模拟稀合金凝固,该模型包含了众所周知的非平衡效应,包括溶质捕集和溶质阻力。

从μm/s到m/s的6个数量级的凝固速度范围内,形成微观结构相的形态不稳定性发生在极宽的凝固速度范围内,从传统铸造到金属增材制造,不同的凝固过程对应不同的速度范围。不同于与传统制造技术相关的低速凝固,金属的固液界面在快速凝固过程中处于远离平衡态的极端条件,包括极快的固液界面移动速度和极大的温度梯度。在这样的极端凝固条件下,非平衡态效应,比如溶质捕集(solute trapping)和溶质阻力(solute drag),会在很大程度上影响到金属材料凝固后的微观结构,进而影响到材料的力学性质。


图2所示:(a)-(d) 不同界面速度时的带状微观结构;(e) 界面速度和温度的平面稳态曲线和带状循环周期性振荡。(a)和(d)对应的影片在补充资料[39]中显示。


研究人员在图3中展示了用潜热模拟的带状组织与在再凝固实验中产生的带状组织的定量比较,在该实验中,使用短激光脉冲在Al-9 wt.% (Al-4 at.%) Cu合金的薄膜中产生椭圆熔池。


图3所示:(a)Al-Cu薄膜凝固实验中带状微观结构的比较;(b)带有潜热和扩散效应的二维PF模拟。


此外,研究人员还提出的是一个全变分(variational)相场模型。不同于传统用于模拟金属凝固的非变分(non-variational)相场模型,全变分相场模型更容易被拓展到复杂的合金系统中去,比如多相、多元素合金系统中。因此该相场模型具有极其广泛的应用前景。


文章来源:

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.026203


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