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摘要

采用定量相场模型模拟了定向凝固过程中浓度相关的扩散系数对枝晶生长的影响. 模型中, 通过在液相溶质扩散方程中耦合浓度相关的扩散系数实现了浓度依赖的扩散过程. 一系列模拟结果证实了浓度相关的扩散过程对枝晶定向生长具有显著的影响. 结果表明: 溶质扩散系数对溶质浓度耦合强度的增加会增强枝晶间的溶质扩散对尖端排出的溶质原子横向扩散的抑制作用, 造成枝晶尖端固-液界面处的溶质富集程度增加, 从而增加尖端过冷度; 液相中扩散系数的改变对枝晶的尖端半径影响较小, 模拟结果与理论模型计算结果较好吻合; 液相中溶质扩散系数对溶质浓度依赖性的增加会使侧向分枝的振幅逐渐减小; 在对枝晶列的研究中发现, 与溶质浓度相关的扩散系数会增加枝晶列的一次间距, 降低稳态枝晶的尖端位置. 因此, 在浓质分配系数严重偏离1的体系中, 对现有模型的定量实验检验应考虑浓度相关的扩散对尖端过冷度的影响.

关键词:

Abstract

Solute diffusion is an important process that determines the dendrite growth during solidification. The theoretical model generally simplifies the solute diffusion coefficient in liquid phase into a constant. Nevertheless, the composition of the boundary layer changes greatly in the solidification process, the diffusion coefficient will no longer be a constant and is dependent on concentration. In this paper, the quantitative phase field model is used to simulate the effect of concentration-dependent diffusion coefficient on dendrite growth in directional solidification. In the model, the concentration-dependent diffusion process is investigated by coupling the concentration-dependent diffusion coefficient in the liquid solute diffusion equation. A series of simulation results confirms that the concentration-dependent diffusion process has a significant effect on the dendrite growth. The results show that the increase of the coupling intensity of solute concentration will enhance the diffusion of solute in the mushy zone between primary dendrites to the dendrite tip, resulting in the increase of solute enrichment at the dendrite tip, thereby increasing the tip undercooling. The variation of diffusion coefficient in liquid phase has little effect on the tip radius of dendrite, and the simulation results are in good agreement with those from the theoretical model. Moreover, the amplitude of dendritic side branches decreases with the increase of solute diffusion coefficient. In the study of dendrite arrays, it is found that the concentration-dependent diffusion coefficient increases the primary spacing and reduce the tip position. The results of this study indicate that for a system with a concentration-dependent coefficient significantly, the effect of concentration-dependent diffusion on tip undercooling and side branches should be considered in the quantitative and experimental verification of the existing model.

Keywords:

作者及机构信息

1.
2.
3.

通信作者:王志军,zhjwang@nwpu.edu.cn

基金项目:国家重点研发计划(批准号: 2017YFB1103303)资助的课题.

Authors and contacts

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2.
3.

Corresponding author:Wang Zhi-Jun,zhjwang@nwpu.edu.cn

Funds:Project supported by National Key Research and Development Program of China (Grant No. 2017YFB1103303).

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物性参数	取值
熔点温度/K	500
初始浓度/at.%	0.01
平衡分配系数	0.3
液相线斜率/K·at.%^–1	–200
液相中的扩散系数/m²·s^–1	0.45 × 10^–9
Gibbs-Thomson系数/K·m	6.48 × 10^–8

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