原文出自Materials and Solidification(材料与凝固)期刊
Cite this article:
Wang Z, Zhang Q, Tan L, et al. Lattice Boltzmann modeling of dendrite growth during ultrasonic-assisted solidification of an IN718 alloy. Materials and Solidifications, 2025, https://doi.org/10.26599/MAS.2025.9580002
文章DOI：10.26599/MAS.2025.9580002
1、导读
采用元胞自动机-格子玻尔兹曼(CA-LBM)耦合模型模拟了IN718合金在超声波引起的强制对流作用下凝固枝晶生长过程。对声波衰减现象的数值模拟和解析模型预测结果进行对比，验证了所采用模型的定量模拟能力。模拟结果表明，超声波的存在使得枝晶在靠近声源处生长得更快；对于多个等轴晶而言，在凝固初期液相平均溶质浓度相对无超声波低，而凝固终期液相平均溶质浓度相对高；超声作用导致部分柱状晶生长速度加快，改变了柱状晶的竞争生长模式。
2、研究背景
IN718镍基高温合金由于其独特的合金成分，使其拥有良好的抗疲劳、抗辐射、耐腐蚀性能以及优异的长期组织稳定性，已成为航空发动机和能源领域耐高温零部件的重要材料种类。在IN718合金加工过程中通常会伴随熔体对流，其不仅能够时刻改变熔池液相中的传热传质过程，也会对凝固组织生长具有关键作用，从而影响最终产品性能。
现代凝固技术对超声波已经有相当程度的应用，目前对超声波在金属凝固中作用的研究方向主要包括细化晶粒以及通过超声波振动除气泡。由于超声波的引入会引起熔体产生强烈的对流效应，进而对凝固组织演化产生重要影响。
近年来，格子玻尔兹曼方法(lattice Boltzmann, LB)迅速发展并在描述流体流动和溶质输运方面应用广泛。由于其在金属凝固组织模拟方面具有可以处理任意复杂枝晶形貌固-液边界的优势，非常适合对流作用下金属凝固过程中的三传现象和流-固耦合模拟，有助于研究超声波引起的对流对IN718合金凝固过程的影响。
3、文章亮点
(1) 建立了元胞自动机-格子玻尔兹曼(CA-LBM)耦合模型，用于模拟在超声波诱导的强制对流下IN718合金凝固过程中的枝晶生长。
(2) 通过将熔体中声波衰减的LB模拟结果与文献中报道的解析模型预测结果进行比较，验证了所采用的LBM模型的定量模拟能力。
(3) 采用所建立的模型模拟了单等轴晶、多等轴晶和柱状晶在外加超声场作用下的形貌，量化了超声波对枝晶生长速率和溶质场变化的影响。
4、研究结果及结论
本研究建立CA-LBM耦合模型，模拟IN718合金等轴晶和柱状晶在超声波导致的强制对流作用下的枝晶生长及形貌演化过程，探究超声波对IN718合金凝固组织形貌影响的机理。
对于单个等轴晶的生长，由于超声波对浓度场的影响，超声波声源一侧的枝晶生长速度较其他方向要快、一次枝晶生长达到峰值生长速度的时间短且峰值生长速度也大；此外，超声波声源一侧更容易长出二次枝晶臂，二次枝晶臂的数量也更多。对于多个等轴晶的模拟表明，超声波的存在确实会对枝晶的形貌造成一定影响，但是其对液相完全凝固时间的影响并不大。超声波的存在主要是影响液相中的溶质浓度及其分布，在凝固初期液相平均溶质浓度相对无超声波低（超声波场内的溶质浓度最低），而凝固终期液相平均溶质浓度相对高。此外，在多个等轴晶生长过程中，超声波仍有促进二次枝晶臂生长的效果。对柱状晶生长模拟结果表明，超声波会促进其正前方柱状晶的生长速度，同时对于非超声波声源正前方的柱状晶生长则存在一定的抑制作用，超声波振幅越大越明显。因此，柱状晶竞争生长模式受到超声波的影响，一次枝晶间距发生改变。
图1 (a)单个等轴晶左侧枝晶尖端位置随时间变化图; (b)单个等轴晶左侧枝晶尖端生长速度随时间变化图，其中点线为无超声波；划线为超声波振幅A=0.05 mm；实线为超声波振幅A=0.1 mm。
图2 (a)多个等轴晶凝固时固相分数fs随时间变化图; (b)多个等轴晶凝固时液相平均溶质浓度随时间变化图,其中点线为无超声波；划线为超声波振幅A=0.05 mm；实线为超声波振幅A=0.1 mm。
5、作者及研究团队简介
王晓南，苏州大学特聘教授，博士生导师，国家高层次人才特殊支持计划青年拔尖人才。本/硕/博毕业于东北大学，加拿大滑铁卢大学访问学者。现担任学院院长助理、省级一流专业负责人、江苏省工程中心副主任、先进材料连接及成形技术研究所所长，兼任中国有色金属学会轻合金材料专委会委员、中国机械工程学会焊接分会委员、中国电机工程学会电站焊接专委会委员、中国金属学会轧钢分会第八届委员会专家、江苏省铸造学会理事会常务理事、江苏省机械工程学会焊接分会常务理事、江苏省机械工程学会热处理分会常务理事、苏州市焊接学会副理事长、《Journal of Iron and Steel Research International》/《中国激光》/《焊接》/青年编委、《内蒙古科技大学学报》编委。主要从事先进金属材料智能热加工（焊接/增材/修复/热处理）方面的研究工作。所带领的团队已承担含国家重点研发计划、国家自然科学基金等纵向项目20余项，与鞍钢集团、中国煤科等大中型企业的产学研合作项目20余项，科研项目经费超过2000万元。已在Advanced Functional Materials、Corrosion Science、Journal of Materials Science & Technology等国际学术期刊上发表高水平论文150余篇，荣获机械工业科学技术奖（科技进步类）二等奖等省部级科研奖励6项，获得授权专利30余项。
张庆宇，通讯作者，副教授，苏州大学优秀青年学者，苏州市科协青年托举人才。2011年在燕山大学获得学士学位，2018年于东南大学获工学博士学位。2014年10月-2015年10月在德国耶拿大学(Friedrich-Schiller-Universität Jena)开展联合培养博士研究。2018年被聘为苏州大学沙钢钢铁学院讲师，2022年被聘为副教授。先后在在国内外高水平SCI期刊如Scr. Mater.、Int. J. Heat Mass Transfer、Ultrason. Sonochem.等期刊发表论文50余篇（其中第一/通讯作者论文近30篇）。学术兼职包括：中国机械工程学会焊接学会计算机辅助焊接工程专业委员会委员、中国热处理行业协会虚拟仿真技术委员会委员、中国机械工程学会材料分会材料物理模拟与数值模拟专家委员会委员、中国有色金属学会会员、中国有色金属产业技术创新战略联盟成员；Additive Manufacturing、Computational Materials Science、Journal of Crystal Growth等SCI期刊审稿专家；全国研究生学位论文评审专家；《特种铸造及有色合金》、《中国有色冶金》期刊青年编委。
《材料与凝固（英文）》（Materials and Solidification）期刊简介
《材料与凝固（英文）》由清华大学出版社出版，西北工业大学凝固技术国家重点实验室提供学术支持，实验室李金山教授担任主编，王俊杰教授担任执行主编。期刊聚焦于凝固理论和凝固技术方面的前沿研究成果，发表金属、半导体、有机、无机和聚合物材料块状或薄膜凝固理论和凝固技术的前沿研究成果，包括但不限于，凝固加工相关的铸造、焊接和增材制造，还涉及电、超声、磁、微重力等多物理场中的非平衡凝固现象。
期刊主页：https://www.sciopen.com/journal/3078-7955
投稿地址：http://mc03.manuscriptcentral.com/msolid
期刊邮箱：matersolid@tup.tsinghua.edu.cn; Mater&Solid@nwpu.edu.cn
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