[發明專利]枝晶粗化的三維模擬方法

在審

• 申請號: 202010421959.8
• 申請日: 2020-05-18
• 公開（公告）號: CN111640469A
• 公開（公告）日: 2020-09-08
• 發明（設計）人: 張慶宇;項重辰;董其鵬;王曉南
• 申請（專利權）人: 蘇州大學
• 主分類號: G16C10/00
• 分類號: G16C10/00;G16C60/00;G06F30/23
• 代理公司: 蘇州見山知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 32421
• 代理人: 袁麗花

本發明公開了一種枝晶粗化的三維模擬方法，其包括如下步驟：S1、網格劃分；S2、輸入三維CA?FDM模型中所需的物理參數；S3、將柱狀枝晶固相分數和濃度場導入所述三維CA?FDM模型中；S4、查找固液界面；S5、計算固相分數；S6、計算溶質濃度場；S7、更新元胞參數；S8、判斷是否滿足輸出條件；若不滿足，進行步驟S4；若滿足，輸出結果。該方法，基于三維CA?FDM模型，能夠再現三維空間下的枝晶粗化過程。三維CA?FDM模型能夠分別對各機制對枝晶粗化的貢獻進行定量研究。另，還能夠再現典型的枝晶粗化模式，包括小枝晶臂熔化、枝晶臂間凹槽處的凝固生長和枝晶臂尖端合并等。三維模擬結果更加接近實際實驗，能夠進行有效預測。

技術領域

本發明屬于枝晶粗化技術領域，涉及一種枝晶粗化三維數值模擬方法。

背景技術

枝晶是一種最常見的金屬凝固顯微組織。枝晶是在金屬材料凝固過程中，晶體在偏離平衡條件較大情況下，形成典型的多樹枝狀。在大多數中低速的凝固過程中或者等溫保溫過程中，枝晶組織在糊狀區發生粗化是不可避免的。枝晶粗化是指固液兩相區的枝晶組織會變得更為粗大的現象。枝晶粗化會對最終的凝固組織、微觀偏析和產品性能產生重要影響。由于枝晶粗化問題對學術研究和實際應用的重要性，學術界和工業界均對此十分關注。在實際的枝晶粗化過程中，溶質擴散、曲率分布演化和枝晶形貌的演化過程是在三維空間下進行的。

但是，目前并沒有較為合適的枝晶粗化的三維模擬方法。

發明內容

基于此，有必要提供一種枝晶粗化的三維模擬方法。

一種枝晶粗化的三維模擬方法，包括如下步驟：

S1、將三維模擬區域劃分為多個正方體網格；

S2、根據材料的物理性質，輸入三維CA-FDM模型中所需的物理參數；

S3、將柱狀枝晶固相分數和濃度場導入所述三維CA-FDM模型中，作為枝晶粗化模擬的初始條件；

S4、查找固液界面；

S5、計算固相分數；

S6、計算溶質濃度場；

S7、更新元胞參數；

S8、判斷是否滿足輸出條件；若不滿足，進行步驟S4；若滿足，輸出結果。

可選地，在步驟S2中，所述物理參數包括初始成分、純溶劑凝固點、液相線斜率、以及溶質再分配系數。

可選地，在步驟S4中，通過CA中的近鄰算法查找固液界面位置。

可選地，在步驟S5中，通過公式1計算固液界面網格處每一個時間步內的固相增長率；

其中，在公式1中，g表示形狀因子；為固液界面處液相的平衡成分。

可選地，通過公式2計算獲得；

其中，在公式2中，T^*為固-液界面溫度；m_l為液相線斜率，為初始成分為C₀合金的液相線溫度；Γ為固-液界面的Gibbs-Thomson系數；wmc為耦合了界面能各向異性效應的固液界面權值曲率。

可選地，三維空間中wmc通過公式3計算獲得：

在公式3中，ξ是Cahn-Hoffman向量，為固-液界面處的單位法向量；

n_x、n_y和n_z分別為在三個坐標軸上的分量，和其中Q的計算方式為