Моделирование процесса образования недендритной морфологии при затвердевании бинарного сплава Al–Si с перемешиванием

Рост первичных кристаллов из переохлажденного бинарного расплава моделируется на основе метода фазового поля с приближенным учетом перемешивания расплава. Изменения концентрации второго компонента (примеси) в расплаве вблизи области затвердевания за счет перемешивания рассматриваются как главная причина модификации дендритной морфологии кристаллов. Эффект перемешивания приводит к частичному удалению расплава с повышенной концентрацией примеси из области вблизи границы кристаллизации, называемому в работе смывом. Данный эффект приближенно моделируется как вынужденная периодическая замена текущей высокой концентрации примеси в этой области либо на начальную концентрацию, либо на усредненную в расплаве. Предложен новый алгоритм выбора такой области коррекции, который может быть использован и для малой интенсивности перемешивания. Введен параметр для описания интенсивности смыва – параметр смыва. Показано, что при смыве дендритная морфология переходит в розеточную в зависимости от интенсивности перемешивания. Проведен численный анализ роста возмущений на поверхности исходного зародыша кристалла круглой формы. Показаны основные отличия развития таких возмущений, которые приводят к недендритной морфологии кристалла. Продемонстрирован рост дополнительных ветвей за счет понижения концентрации примеси вблизи центра кристалла. Проведены расчеты для случая роста кристалла с уменьшением интенсивности смыва со временем роста. Для данного случая отмечено явление роста вторичных ветвей на дополнительных ветвях, растущих из центра кристалла. Показано, что при постоянной величине интенсивности смыва вблизи поверхности растущего кристалла при росте из малого круглого зародыша возможны только два типа морфологии – дендритная и розеточная. При этом если кристалл уже имеет розеточную морфологию, она сохраняется и при дальнейшем его росте при уменьшении интенсивности смыва.

1. Fan, Z. Semisolid metal processing / Z. Fan // Int. Mater. Rev. – 2002. – Vol. 47, Iss. 2. – P. 49–85. https://doi. org/10.1179/095066001225001076

2. Growth Morphology of Crystal from Undercooled Melt with Strong Liquid Convection / W. Huang [et al.] // Int. J. Microgravity Sci. Appl. – 2004. – Vol. 21, № 3. – P. 207–211.

3. Исследование влияния потока расплава на процессы формирования недендритной структуры при затвердевании бинарного сплава Al–Si / А. Г. Борисов [и др.] // Процессы литья. – 2013. – № 6. – C. 37–47.

4. Phase-field modeling of binary alloy solidification with coupled heat and solute diffusion / J. C. Ramirez [et al.] // Phys. Rev. E. – 2004. – Vol. 69. – P. 51607. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.69.051607

5. Echebarria, B. Quantitative phase-field model of alloy solidification / B. Echebarria // Phys. Rev. E. – 2004. – Vol. 70. – P. 061604. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.70.061604

6. Марукович, Е. И. Моделирование роста дендритов при кристаллизации с малым переохлаждением силуминовых сплавов на основе метода фазового поля / Е. И. Марукович, А. М. Брановицкий, Ю. А. Лебединский // Вес. Нац. акад. навук Беларусі. Сер. фіз.-тэхн. навук. – 2009. – № 1. – С. 4–13.

7. Diepers, H.-J. History effects during the selection of primary dendrite spacing. Comparison of phase-field simulations with experimental observations / H.-J. Diepers // J. Crystal Growth. – 2002. – Vol. 237–239. – P. 149–163. https://doi.org/10.1016/ S0022-0248(01)01932-7

8. Molenaar, J. M. M. The structure of stircast Al–6Cu / J. M. M. Molenaar, F. W. H. C. Salemans, L. Katgerman // J. Mater. Sci. – 1985. – Vol. 20, Iss. 12. – P. 4335–4344. https://doi.org/10.1007/bf00559322

9. Ramirez, J. C. Examination of binary alloy free dendritic growth theories with a phase-field model / J. C. Ramirez, C. Beckermann // Acta Materialia. – 2005. – Vol. 53, Iss. 6. – P. 1721–1736. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2004.12.021