关于纳米颗粒对凝固与晶粒生长影响的相场研究

纳米颗粒增强合金具有高强度、高温合金的潜力。尽管前景广阔，但在快速凝固过程中，合金会出现纳米颗粒团聚，从而抵消任何强度益处。我们利用 PRISMS-PF 开发了一个开源相场模型，以探究纳米颗粒及其团聚对合金凝固的影响。模型中显式包含了异质形核与晶界钉扎，并模拟了广泛的纳米颗粒面积分数与形核率范围。在小于 0.05 的低面积分数下，与随机分布相比，颗粒团聚使晶粒尺寸增大了 15–45%。我们的定量分析给出了一个修正的 Zener 晶粒尺寸关系，其不仅依赖于纳米颗粒尺寸与面积分数，还依赖于形核率。晶粒尺寸首先急剧减小，随后在较高形核率下趋于平稳。我们的模拟揭示了纳米颗粒钉扎晶界的强烈偏好。钉扎分数随形核率快速增加，随后在 0.85–0.90 之间饱和。在所考虑的面积分数与形核率范围内，随机与团聚的晶粒尺寸各自可归并为一个仅依赖于纳米颗粒半径与钉扎分数的简单解析表达式。与实验数据的对比表明，由我们分析推导出的表达式比经典 Zener 分析更能拟合所报道的晶粒尺寸。一个关于强度与成本权衡的简单模型表明，纳米颗粒可成为一种具成本效益的改善合金强度的途径。