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Mg-Gd-Zn系合金柱状晶竞争生长的数值分析

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彭本利，曹天赢，王嘉鑫，王永彪

（1.大连海事大学船舶与海洋工程学院，辽宁大连116026；2.大连海事大学休斯顿国际学院，辽宁大连116026；

3.郑州轻工业大学机电工程学院，河南郑州450002）

摘 要：本文利用相场法模拟了镁合金枝晶的竞争生长过程,重点分析了不同偏转角、择优取向对双晶汇聚和发散生

长的影响。结果表明，汇聚生长时，偏转角较小的枝晶，出现了反常淘汰现象,但反常淘汰会随偏转角增大而逐渐消失，

这种淘汰现象与Walton和Chalmers提出的模型预测结果大致吻合；发散生长时，当偏转角较小,枝晶可以共存，随着

枝晶偏转角的增大，非择优取向枝晶最终被淘汰。

关键词：相场法；镁合金；择优取向；竞争生长

中图分类号：TG146.22文献标识码：A文章编号：1002-5065（2022）20-0001-5

NumericalanalysisofcolumnarcrystalcompetitiongrowthforMg-Gd-Znalloy

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PENG Ben-li, CAO Tian-ying, WANG Jia-xin, WANG Yong-biao

Abstract:

Keywords:

Mg-Gd-Zn系合金，依靠其低密度、力学性能杰出等析了不同偏转角与择优取向对双晶汇聚和发散竞争生长的

特点，已成为镁合金中最具有开发前景的合金系之一。而铸影响。

件凝固过程中形成的微观组织决定其力学性能，为了进一步

调控其力学性能，就要深入了解稀土合金凝固组织的演变规1 相场模型

[1]

律。本文引入一组序参量φ，φ取值范围为-1≤φ≤1，iii

控制铸件的凝固组织在轻量化镁合金的设计和生产中φ=-1代表液态，φ=1代表固态，当第i个晶粒的ii

举足轻重。凝固组织的形成除了受温度和浓度等影响，还会φ为1时，其他φ=-1(j≠i)的值均为0。界面定义为ij

受到加工工艺的影响。传统的浇铸工艺中常常会形成三个晶1-≤φ+φ+……+φ≤1，这样模型中各个点都可以用

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区,细晶区、柱状晶区和等轴晶区。三个晶区决定着材料的ϕ=ϕϕϕ

矢量(，，，)来表示。

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性能。通常柱状晶可以使铸件的性能具有方向性，为了获得系统自由能泛函：

特定的力学性能，就需要研究柱状晶结构的微观组织。在柱

状晶的形成过程中，枝晶间竞争生长时常发生，使得晶粒的（1）