NpjComput.Mater.：二元合金快速凝固中枝晶生長和各向異性格子玻爾茲曼相場模型

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枝晶生長普遍存在於自然界和工業界，涉及到一系列多尺度的熱力學過程和動力學過程的耦合，例如傳熱傳質、熔體流動、液相凝固和固相重熔。在合金凝固過程中，由破碎、成核和外部雜質產生的遊離固體碎片可以生長、重熔和移動，在微觀組織演化中發揮著至關重要的作用。近年來，增材製造等先進製造技術的興起引發了研究快速凝固領域的熱潮。在快速凝固過程中，平衡及近平衡凝固模型不再適用。因此，揭示快速凝固過程中的非平衡與強非平衡效應已成為深化發展凝固理論並將其推向工程應用的關鍵所在。然而，實驗觀察通常只能從結果中反向推斷凝固過程，，難以進一步揭示微觀組織演變的潛在機制。近年來，源於動理論（Kinetic Theory）的格子玻爾茲曼方法（Lattice Boltzmann Method）在機械動力、材料能源、生物醫學等工程與科學領域迅速發展，已成為跨宏觀、介觀、微觀尺度複雜系統建模和模擬的重要手段。其清晰的物理背景與普適的演算法特性為揭示快速凝固機制提供了新思路。

來自東南大學機械工程學院的孫東科教授團隊，提出了一種二元合金快速凝固中枝晶生長和運動的各向異性格子玻爾茲曼相場模型，用於研究快速凝固過程中的枝晶生長、運動行為，從而得到不同凝固條件下微觀組織演化和溶質偏析規律。他們從各相異性格子玻爾茲曼方程出發，透過引入介面非平衡動力學效應，獲得了快速凝固過程中固液介面處溶質非平衡分配的定量描述，復現了其溶質截流和溶質拖曳現象。同時，透過耦合固相運動實現了定量描述相變過程中游離枝晶的運動和碰撞規律，進而提出了用於研究快速凝固過程中枝晶生長、運動和組織形成規律的數值模型。與傳統建模思路不同，該模型從介觀尺度刻畫非平衡動力學效應及其對組織演化的影響規律。

該文近期發表於npj Computational Materials 10：63 (2024)，英文標題與摘要如下，點選左下角“閱讀原文”可以自由獲取論文PDF。

圖1 凝固過程中多物理場演化與枝晶行為示意圖

圖2 不同凝固條件下固定枝晶和遊離枝晶形貌和溶質分佈：NTND，平衡凝固（不考慮溶質截流和溶質拖曳）；WTND，非平衡凝固（考慮溶質截流不考慮溶質拖曳）；WTWD，非平衡凝固（考慮溶質截流和溶質拖曳）

圖3 不同凝固條件下微觀組織演化及溶質偏析：a 組織形貌及溶質分佈雲圖；b 區域內固相分數與溶質偏析速度隨時間變化

An anisotropic lattice Boltzmann – phase field model for dendrite growth and movement in rapid solidification of binary alloys

Shilin Mao, Yuting Cao, Wei Chen &Dongke Sun

A model coupling the lattice Boltzmann and the phase field methods with anisotropic effects is proposed, which is used to numerically describe the growth and movement of dendrites in rapid solidification of alloys. The model is quantitatively validated by the simulation of the continuous growth and the drafting-kissing-tumbling phenomenon of two falling particles, and then applied to investigate the effects of dendrite movement and interfacial non-equilibrium on evolution of dendritic patterns for Si-9.0at%As and the CET for Al-3.0wt%Cu alloys. Both the growth and remelt processes of isolated dendrites are studied, and the result reveals the remelting influences on dendrite growth and solute micro-segregation in the condition of directional solidification. This work demonstrates that the proposed model has a wide range of applicability and great potential to simulate the microstructure evolution with various solidification conditions.