The interface heterogeneous nucleation and dynamic dispersion of nuclei in solidification process
通过比较不同形核条件下的晶粒尺寸，探讨了不同的形核机制。原始晶核起源于特定的界面，随后随着熔体流动分散到熔体中。晶核的存活概率决定了熔体中晶核的密度，存活晶核的长大最终形成凝固晶粒。成核过程是一个动态的、不断发展的过程，并随着实际实验条件和生产条件的变化而变化。
2013-09-22 cond-mat.mtrl-sci
Switching of controlling mechanisms during the rapid solidification of a melt pool in additive manufacturing
基于熔融的金属增材制造（AM）是一种突破性技术，可用于制造具有前所未有的优异性能组合的近净形状的金属部件。然而，AM处理和所得的微观结构之间的相互关系仍然没有很好地理解。这对控制AM过程中微观结构的发展以实现所需的性能提出了巨大的挑战。在这里，我们研究了一个单一的熔池的微观结构的发展，AM制造的金属部件的积木，使用相场模型专门开发的AM快速凝固。结果发现，在快速凝固过程中的熔池，固-液界面最初由溶质扩散控制，然后由热扩散控制的阶段，过冷度大于冻结范围。这种控制机制的切换导致界面速度，溶质浓度和温度的突然变化，这完美地解释了在AM中观察到的各种异质微结构的形成。通过操纵加工条件，可以控制控制机制的切换以形成精细的微观结构或层状结构，从而改善机械性能和抗开裂性。
2022-08-02 cond-mat.mtrl-sci
Mapping of Microstructure Transitions during Rapid Alloy Solidification Using Bayesian-Guided Phase-Field Simulations
本研究结合高保真相场模拟与贝叶斯主动学习方法，绘制Fe-Cr合金快速凝固中微观组织转变图谱，验证经典KGT模型的预测准确性并发现低G下的中间型微观组织，为合金工艺参数设计提供计算工具。
2025-08-01 cond-mat.mtrl-sci
Adaptive Mesh Refinement Computation of Solidification Microstructures using Dynamic Data Structures
我们研究了凝固组织的演变，使用相场模型计算的自适应，有限元网格。我们讨论了我们的算法的细节，并表明，它大大降低了计算成本的解决相场模型在低过冷度。特别是，我们表明，解决任何相边界问题的计算复杂性尺度与接口弧长时，使用自适应网格。此外，使用动态数据结构，使我们能够模拟系统的大小对应的实验条件，否则将需要晶格大于$2^{17}\times 2^{17}$元素。我们研究我们的算法的收敛性。我们还提出了两个维度，时间依赖性的计算枝晶的演变，有和没有表面张力各向异性。我们基准我们的结果枝晶生长与微观可解性理论，发现他们是在很好的协议与理论高过冷度。在低过冷度，但是，我们得到更高的值的速度比可解性理论在低过冷度，瞬态占主导地位，符合我们得出的启发式标准。
1998-08-19 cond-mat.mtrl-sci
Simulation of temperature, stress and microstructure fields during laser deposition of Ti-6Al-4V
研究了Ti-6Al-4V熔池定向凝固过程中原始柱状$β$相、界面$L$相和$α$相的演化规律。有限元模拟估算了熔池中的凝固温度场和速度场，并分析了激光粉末床熔化过程中凝固件中的应力场和热变形。相场模型使用温度场和速度场来预测柱状前$β$（Ti）相的形成。在从过冷液体固化$β$相的过程中，$β$柱内低于固相线温度的残余液体导致$α$相。有限元模拟的应力应变场与微观结构场的长度尺度和体积分数相关。最后，$β$（Ti）细胞在凝固过程中的合并行为进行了说明。上述分析很重要，因为它们可以用于热处理过程的后续建模的主动控制。
2018-09-04 cond-mat.mtrl-sci
A particle-based approach for the prediction of grain microstructures in solidification processes
针对凝固过程晶粒微观结构预测的计算局限性，提出一种基于拉格朗日粒子的晶粒包络跟踪方法，能预测固定晶粒竞争生长和柱状-等轴转变，通过基准测试验证并与激光焊接模型耦合，提升宏观尺度模拟能力。
2025-04-17 cond-mat.mtrl-sci
Phase-Field Study of Polycrystalline Growth and Texture Selection During Melt Pool Solidification
本研究通过相场模拟揭示熔池纵横比偏离1时织构由弱变强，归因于热梯度形状与方向，且与初始晶粒密度无关。
2023-02-07 cond-mat.mtrl-sci
Understanding Homogeneous Nucleation in Solidification of Aluminum by Molecular Dynamics Simulations
采用改进的嵌入原子方法（MEAM）势，采用百万原子分子动力学（MD）模拟方法研究了铝熔体的均匀形核过程。在不受压力、自由表面效应和杂质影响的情况下，铝熔体可以自然地自发均匀形核。研究了过冷铝熔体在不同恒温条件下等温形核，过热铝熔体在不同冷却速率下淬火。测定了晶核的晶体结构、临界晶核尺寸、均匀成核的临界温度、诱导时间和成核速率。淬火模拟清楚地揭示了三个温度制度：亚临界形核，超临界形核，和固态晶粒生长制度。主晶相被确定为面心立方（fcc），但六方密堆积（hcp）和非晶态固体相也被检测到。铝熔体在凝固过程中由于层错的形成而产生六方晶系相。通过降低冷却速率，六方晶系和非晶相的体积分数降低。在盒体完全凝固后，模拟晶粒生长，并确定不同退火温度下的晶粒生长指数。
2017-08-09 cond-mat.mtrl-sci
Phase-field investigation of non-isothermal solidification coupled with melt flow dynamics
Technische Universität Darmstadt（达姆施塔特工业大学）；Johannes Gutenberg-University Mainz（美因茨约翰内斯·古腾堡大学）；Johannes-Kepler University Linz（林茨约翰内斯·开普勒大学）
本文提出一种非等温相场模型，用于固态化与熔体流动的耦合，考虑了毛细应力和交叉耦合项，以更准确地模拟热毛细效应及树状生长。
2026-03-03 cond-mat.mtrl-sci physics.flu-dyn
Grain growth competition during melt pool solidification -- Comparing phase-field and cellular automaton models
已经提出了一个广泛的计算模型来预测凝固过程中的微观组织的发展，但他们很少被相互比较的定量和系统的基础上。在本文中，我们比较相场（PF）和元胞自动机（CA）模拟的多晶生长在一个二维的熔池条件下的增材制造（粉末床融合）。我们比较使用本地（逐点）测量，以及平均晶粒取向分布在几个模拟得到的晶粒结构。我们探讨了CA空间离散化水平和熔池纵横比对所选晶粒织构的影响。我们的模拟表明，详细的微观特征相关的瞬态生长条件和固液界面稳定性（例如，初始平面生长阶段之前，其细胞/树枝状不稳定，或早期消除不利的取向晶粒由于相邻的晶粒侧支）只能被捕获PF模拟。由此产生的PF和CA预测之间的分歧只能部分解决的CA网格的细化。然而，在整个熔池的几个模拟平均的整体晶粒分布似乎导致PF和CA之间的一个显着更好的协议，与熔池形状和CA网格的一些变化。虽然还需要进一步的研究，特别是要确定适当的选择CA空间离散化和其链接到特征微观结构的长度尺度，本研究提供了一个有用的一步，在这个方向上，通过比较这两种方法定量在过程相关的长度和时间尺度。
2022-10-30 cond-mat.mtrl-sci
Microstructure evolution during rapid solidification of hypoeutectic Al-Ag alloys near absolute stability
Colorado School of Mines（科罗拉多矿业学院）；Northeastern University（东北大学）；Lawrence Livermore National Laboratory（劳伦斯利弗莫尔国家实验室）；Los Alamos National Laboratory（洛斯阿拉莫斯国家实验室）
研究通过动态透射电子显微镜和相场模拟探讨了亚共晶Al-Ag合金在接近绝对稳定性极限时的微观结构演变，揭示了生长速率与绝对稳定性极限的关系，并通过实验验证了预测结果。
2026-05-17 cond-mat.mtrl-sci
Icosahedral quasicrystal enhanced nucleation in commercially pure Ni processed by selective laser melting
这项工作提供了明确的证据，二十面体准晶（iQC）增强形核气体雾化工业纯镍粉在选择性激光熔化过程中发生。这种凝固机制，最近才在几种合金中报道，迄今为止从未在纯金属中观察到，由由于液体中存在二十面体短程有序而形成的iQC的小平面上的初级相的晶粒的凝固组成。iQC增强形核的发生已推断从观察SLM处理的纯镍样品的部分不相干的孪晶界和集群的孪晶晶粒对共享共同的<110>五重对称轴的过量分数。这项工作进一步证明，增材制造方法可能是研究凝固基础和设计前所未有的晶界网络的宝贵工具。
2022-01-10 cond-mat.mtrl-sci
Solidification of the Glass-Forming Al86Ni2Co6Gd6 Melt under High Pressure
高压允许合成新的亚稳态化合物，这些化合物在正常条件下保持足够长的时间。到目前为止，人们还没有完全理解压力、玻璃形成能力和液体凝固是如何相互联系的。本文研究了在10 GPa压力下从温度为1800 K的熔体中快速冷却得到的Al_（86）Ni_2Co_6 Gd_6共晶合金的结构。X射线衍射分析和电子显微镜分析表明，样品均匀致密。该结构是精细分散的。在合金中形成了立方（cP 4/2）和四方（tI 26/1）结构的新的稳定晶相。研究表明，在10 GPa压力下获得的样品的平均显微硬度约为1700 MPa，比常压下的原始样品提高了近2倍。为了理解结果，我们使用从头算分子动力学，并研究了熔体如何随压力变化。结果表明，在1800 K的温度下，高压增加了熔体中二十面体团簇的浓度，使得在10 GPa下，二十面体内部的原子形成渗滤团簇，而在大气压下，它们没有。因此，熔体的玻璃形成能力在高压下增加，强烈影响固化过程。
2022-11-07 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Advantages of rapid solidification over casting of Mg-0.4Zn-1Y alloy
本研究对比Mg-0.4Zn-1Y合金的传统铸锭冶金与快速凝固工艺，发现快速凝固可调控LPSO相、MFS及晶粒尺寸，实现优异力学性能与合理腐蚀速率的兼顾。
2024-07-09 cond-mat.mtrl-sci
Dendritic to globular morphology transition in ternary alloy solidification
采用通用多组分相场模型的自适应有限元模拟方法，研究了三元合金凝固组织的演化。通过改变合金成分，在一个固定的过冷度的形态从枝晶到球状生长的过渡。的生长速度和杂质偏析在固相上的组合物的依赖性进行了分析，并表明树枝状和球状生长结构之间的过渡类型的平滑。
2005-01-20 cond-mat.mtrl-sci
Competitive B2 and B33 Nucleation during Solidification of Ni50Zr50 Alloy: Molecular Dynamics Simulation and Classical Nucleation Theory
采用持久胚胎法和经典形核理论研究了Ni 50 Zr 50合金中化学计量比B2和B33相的均匀形核。这两个阶段成为非常接近的竞争对手在大的过冷度，这是与实验观察。在B2相的情况下，外推到熔化温度的固-液界面（SLI）自由能的线性温度依赖性导致从毛细波动方法（CFM）获得的相同的值。在B33相的情况下，SLI自由能在大的过冷度下也是温度的线性函数，但是外推到熔化温度导致与CFM值相当不同的值。这与在名义上平坦的界面迁移的模拟中观察到的熔化温度附近的B33相的SLI性质的大的各向异性是一致的。
2019-02-23 cond-mat.mtrl-sci
Morphological stability of solid-liquid interfaces under additive manufacturing conditions
了解与增材制造（AM）相关的速度下的快速凝固行为对于控制微观结构选择至关重要。虽然原位可视化凝固动力学现在是可能的，系统的研究AM条件下的微观结构的结果相比，凝固理论仍然缺乏。在这里，我们测量固体-液体界面速度的Ni-Mo-Al合金单晶AM条件下与同步辐射X射线成像，表征的微观结构，并显示与经典理论的差异，关于平面固液界面的绝对稳定的起始速度。实验观察表明，细胞/树枝状微观结构可以持续在速度大于预期的绝对稳定性极限，带状结构的形成理论上应该出现。我们表明，理论和实验观察可以调和适当占溶质捕集和动力学过冷的速度依赖的合金的固相线和液相线温度的影响。进一步的理论发展和关键的热物理参数的准确评估-如液体扩散系数，固-液界面过剩自由能，和动力学系数-仍然需要定量研究这种差异，并铺平道路的预测和控制的微观结构选择快速凝固条件下。
2023-03-16 cond-mat.mtrl-sci
Coupled Infrared Imaging and Multiphysics Modeling to Predict Three-Dimensional Thermal Characteristics during Selective Laser Melting
University of California Santa Barbara（加州大学圣塔芭芭拉分校）
本研究针对增材制造中热条件精准解析的难题，将高速红外成像与三维多物理场模拟结合，重建熔池亚表面温度分布，估算凝固条件并预测微观组织变化，验证了实验-计算集成方法对商用增材制造微观组织原位调控的关键作用。
2025-09-16 cond-mat.mtrl-sci
Microsegregation and dendritic growth mode of Al-5wt%Cu alloy based on non-equilibrium mush zone model
研究了Al-5wt%Cu合金的微观偏析和枝晶生长方式。在凝固初期，晶体将以间断生长和周期性边界俘获的方式生长，形成无偏析的枝晶。显微偏析只存在于凝固终了阶段，残余熔体分数极小。在微小的残余熔体区，溶质从富集边界层向残余熔体的扩散和富集边界的会聚产生最终的显微偏析。
2013-08-29 cond-mat.mtrl-sci
MEMS-based in situ electron-microscopy investigation of rapid solidification and heat treatment on eutectic Al-Cu
通过原位扫描透射电子显微镜（STEM）实验研究了共晶AlCu试样的凝固行为。通过经由基于微机电系统（MEMS）的膜施加各种冷却条件来改变固化条件。该方法允许使用的材料处理的熔融和铸造路线接近工业的机械制造的材料在原位STEM固化研究。不同的快速凝固形态可以得到单独的一个试样上所展示的策略。额外的凝固后热处理的观察在高温退火过程中的片层的球化进行了研究。
2022-08-05 cond-mat.mtrl-sci
Resolving thermal gradients and solidification velocities during laser melting of a refractory alloy
本研究利用高速红外成像技术，解析难熔合金C103激光熔化过程中的热梯度和凝固速度，揭示柱状晶向等轴晶转变机制，为增材制造微观结构控制提供指导。
2024-11-09 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
A novel Grand-Potential Phase-Field Lattice-Boltzmann model for multi-phase solidification with convection
Indian Institute of Science（印度科学学院）；The University of Texas at Austin（德克萨斯大学奥斯汀分校）；Indian Institute of Technology Madras（印度理工学院马德拉斯分校）
本研究开发耦合大势相场模型与格子玻尔兹曼方法的计算框架，模拟带对流的多相凝固，揭示对流对合金凝固微观结构演化的影响机制。
2026-08-28 cond-mat.mtrl-sci
Predictive modeling of solidification during laser additive manufacturing of nickel superalloys: Recent developments, future directions
与传统制造工艺相比，增材制造（AM）工艺生产的零件具有更好的物理、化学和机械性能。在AM工艺中，复杂的零件几何形状是由多组分合金粉末以逐层的方式通过多道激光熔化、固化和固态相变在较短的制造时间内以最小的表面精加工以合理的成本生产的。然而，越来越需要通过例如应力消除热处理和热等静压对制造的部件进行后处理，以始终实现均匀的微观结构和性能。AM工艺中的凝固控制晶粒的尺寸、形状和分布、生长形态、元素偏析和沉淀、随后的固态相变以及最终的材料性质。这个过程中的关键问题与多物理场（如流体流动和热量和质量的扩散）和多尺度（长度，时间和温度范围）的挑战有关，这些挑战是由于AM加工过程中局部快速加热和冷却而产生的。通过多尺度建模和模拟，将越来越好地理解合金化学-工艺-微观组织-性能-性能在这一过程中的相互关系。
2017-12-12 cond-mat.mtrl-sci
Temperature and Pressure-Induced Atomic Structure Evolution During Solidification of Zr50Nb50 Metallic Melt via Molecular Dynamics Simulation
利用分子动力学模拟研究 Zr50Nb50 熔体在温度与压力下的结构演化，发现不同压力下发生向类晶体结构的一级相变，且最终凝固系统主要由类体心立方团簇组成。
2023-04-08 cond-mat.mtrl-sci
Scalable Autoregressive Deep Surrogates for Dendritic Microstructure Dynamics
本文提出基于短轨迹相场模拟训练的自回归深度代理模型，实现枝晶微结构演化在可扩展时空尺度上的高效准确预测，加速超两个数量级，并在Al-Cu合金凝固中验证了其与相场基准的高度一致性。
2025-11-05 cond-mat.mtrl-sci
Effect of Composition on Microstructural Evolution during Homogenization of 7XXX Alloys
本研究针对7XXX系铝合金均匀化过程的微观组织演变问题，采用多尺度综合模型结合Scheil凝固计算，分析了成分与初始组织的影响，提出了优化的合金成分范围。
2023-08-26 cond-mat.mtrl-sci
Structure, microstructure and hydrogen storage properties of melt-spun V55Ti21Cr17Fe7 and V55Ti21Mn17Fe7
采用压力成分温度试验评价了V55Ti21Cr17Fe7和V55Ti21Mn17Fe7合金及其薄带的吸氢性能。通过吸氢曲线研究了它们的吸氢动力学性质。通过X射线衍射和扫描电子显微镜分析，分别确定了吸氢前和吸氢后PCT试验的合金和薄带的晶体结构和显微组织。采用Sieverts容量法和悬浮天平重量法对材料的储氢性能进行了研究。
2013-03-20 cond-mat.mtrl-sci
Structure and solidification of the (Fe0.75B0.15Si0.1)100-xTax (x=0-2) melts: experiment and machine learning
Fe-B-Si系统是合成具有优异磁性能和机械性能的新型功能材料的基体。这一领域的进展与寻找最佳掺杂条件有关。本文从理论和实验两个方面研究了Ta合金化对（Fe 0.75B 0.15Si 0.1）100-xTax（x = 0 - 2）过冷熔体结构、过冷度和凝固过程中结构形成的影响。Ta的低浓度使标准从头算和机器学习研究复杂化。在这种情况下，我们开发了一种快速稳定的机器学习原子间势（MLIP）训练技术，并揭示了过冷熔体的结构。MLIP分子动力学模拟结果表明，在Ta浓度为1at. %时，在熔体中的化学短程有序中存在与Ta原子的相互作用中的变化相关联的急剧变化。这种效应导致系统中团簇形成的重组。同时，我们的实验研究表明，Ta含量为1at. %最容易过冷。与Ta的合金化促进了Fe2B初晶的形成，并且在大于1.5at. %的浓度下Ta，也是FeTaB。因此，接近1原子% Ta时，熔体的晶化进行得很好：形成两个中间亚稳相Fe_3B和Fe_2Ta Laves相。此外，在快速淬火条件下的非晶化的最高趋势是由Ta浓度为1原子%的熔体表现出的。研究结果不仅为Fe-B-Si材料的优化合金化提供了理论依据，而且为低掺杂浓度金属合金的数值设计提供了一种机器学习方法。
2022-11-07 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Interface Response Functions for multicomponent alloy solidification- An application to additive manufacturing
增材制造过程中的近快速凝固条件可能导致非平衡相的选择。通过界面响应函数的尖锐界面模型已被用来解释在这种凝固条件下的微观结构选择。然而，大多数锐界面模型假设合金元素的贡献的线性叠加，而不考虑与相图相关的非线性。在这份报告中，平面和树枝状的Calphad耦合尖锐的界面模型已经实施，并用于解释在与增材制造相关的高凝固速度下观察到的生长控制相选择。该模型预测了多元合金中的生长控制相选择，这是其他线性相图模型所不能预测的。这些模型计算钢和镍基高温合金，并与实验观察结果进行比较。
2023-03-14 cond-mat.mtrl-sci
Phase-field modeling of microstructure evolution: Recent applications, perspectives and challenges
简要回顾了相场法模拟微观结构演化的研究进展。重点放在最近的应用相场模拟固态微观结构的演变和凝固，已经比较和/或验证实验。它们显示了相场建模的潜力，可以对加工和微观结构之间的联系进行定量预测。最后，一些当前的挑战，在综合计算材料工程的背景下，扩展相场模型的应用。
2021-04-20 cond-mat.mtrl-sci
High-speed synchrotron X-ray imaging of melt pool dynamics during ultrasonic melt processing of Al6061
针对激光增材制造中金属超声处理细化微观结构的机制未被直接观测的问题，采用高速同步辐射X射线成像结合多物理场模拟，揭示了20.2kHz超声对Al6061熔池的作用及提升零件质量的潜力。
2024-07-14 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
The solidification of a disk-shaped crystal from a weakly supercooled binary melt
冰晶从液相生长的物理学，特别是在盐的存在下，受到的关注远远少于雪晶从汽相生长。通过过冷盐水溶液的固化的所谓的冰渣冰的生长与基面中的晶体生长一致，所述基面中的晶体生长受到从固-液界面扩散去除固化的潜热的限制，同时受到垂直方向上的附着动力学的限制。这导致形成具有与半径相比低的厚度纵横比的近似盘形晶体，因为径向生长比轴向生长快得多。我们用数值方法计算了盘状晶体在纯熔体和二元熔体中生长的速度，考虑了相对较慢的轴向生长、流体相中溶解溶质的影响以及固相和液相之间热性质的差异。我们确定了控制晶体生长的主要物理机制，并表明，扩散去除的潜热释放，也拒绝在生长界面的盐是显着的。我们的计算表明，某些以前的参数化，缩放参数的基础上，大大低估了晶体生长速率的一个因素的顺序为10-100低纵横比磁盘，并提供了一个参数化模型中使用的冰晶生长环境设置。
2015-07-31 cond-mat.mtrl-sci physics.ao-ph
Orientation selection in alloy dendritic evolution during melt-pool solidification
本研究针对金属增材制造中高速凝固熔池的枝晶取向选择机制未明的问题，采用二维相场模型探究二元合金胞状-枝晶阵列倾斜生长的影响因素，建立取向选择图谱，为相关材料的亚晶结构等调控提供参考。
2025-01-12 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Radial Variation of Microstructure in a Direct-Chill Cast AA7050 Billet on Homogenization
本研究针对AA7050合金开发耦合多尺度的全流程凝固均匀化数值模型，揭示了宏观偏析对DC铸锭径向微观组织的影响机制，解释了铸锭表面更易再结晶的原因。
2023-08-26 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Heat transfer in rapidly solidifying supercooled pure melt during final transient
建立了一维过冷熔体凝固末期的传热模型。确定温度分布的Stefan问题的条件下，解决了（i）界面接近试样表面以恒定的速度$V$ ;（ii）的凝固潜热线性依赖于界面温度;（iii）所有的物理量给出的界面位置的指数函数的线性组合。首先，我们找到相应的双曲Stefan问题的解决方案，在该框架内的热传递是由电报方程描述。然后，通过极限转移$V/V_H \rightarrow 0$ $(V_H \rightarrow \infty)$，得到了初始抛物Stefan问题的解，其中$ V_H $是热扰动的传播速度，其中双曲热模型转化为抛物热模型.
2012-08-24 cond-mat.mtrl-sci
Sensitivity of Numerical Predictions to the Permeability Coefficient in Simulations of Melting and Solidification Using the Enthalpy-Porosity Method
高度的不确定性和相互矛盾的文献数据的渗透系数（也被称为糊状区常数）的值，其目的是阻尼糊状区中的流体速度，并抑制它们在固体区域，是一个关键的缺点时，使用的固定网格孔隙度技术建模非等温相变过程。在本研究中，数值预测的敏感性，这个系数的值进行了审查。使用基于有限体积的等温和非等温熔化和凝固问题的数值模拟，灵敏度增加的原因被确定。结果表明，渗透系数对固液界面形态和相变速率的影响与泥层厚度和速度场有关。它表明，数值预测的等温相变问题是独立的渗透系数足够细的网格。它还表明，渗透系数的选择的敏感性可以通过适当定义的Péclet数进行评估。
2020-04-26 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.flu-dyn
Solidification Characteristics of Laser-Powder Bed Fused AlSi10Mg: Role of Building Direction
研究了激光-粉末床熔合（LPBF）成形方向对AlSi 10 Mg合金显微组织演变的影响。如实验制造的零件所示，构建方向可以影响凝固行为并促进胞状枝晶微结构中的形态转变。建立了AlSi 10 Mg合金激光加工过程的热模型，系统地研究了激光加工条件对熔池热特性的影响，为激光加工AlSi 10 Mg合金提供了指导。然后，我们采用了多序参量相场模型，研究LPBF-AlSi 10 Mg在稀释极限的微观结构演变，使用水平和垂直建设方向作为输入的底层热条件。这里采用的相场模型的目的是模拟凝固，允许考虑到形态学现象，包括柱状等轴过渡（CET）从孕育剂颗粒的异相成核。相场模型首先验证对先前开发的稳态CET理论的Hunt \cite{hunt1984steady}的预测。然后，它是用于在瞬态条件下研究微观结构的演变，揭示了形核率是显着较高的水平建造的样品，由于较大的成分过冷度，这是与实验观察相一致。我们进一步量化的局部冷却条件的建设方向的影响，从而对晶粒形态。
2020-03-21 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.comp-ph
Simulation of dendritic-eutectic growth with the phase-field method
本研究构建了可模拟树枝晶、共晶及二者耦合生长的相场模型，通过二维、三维模拟探究了成分、加工条件等对微观组织的影响，填补了两类组织耦合生长研究的空白。
2024-12-13 cond-mat.mtrl-sci
Single-Track Melt-Pool Measurements and Microstructures in Inconel 625
我们使用单轨激光熔化实验和模拟Inconel 625，以估计所产生的熔池的尺寸和微观结构。我们的工作是基于实验设计的方法，它使用多个激光功率和扫描速度的组合。单轨实验产生一定尺寸的熔池。这些尺寸合理地与我们的有限元计算一致。相场模拟预测的尺寸和偏析的蜂窝状微观结构，形成沿熔池边界的凝固条件，作为熔池尺寸的函数而变化。
2018-02-16 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Harnessing metastability for grain size control in multiprincipal element alloys during additive manufacturing
本文以FeMnCoCr多主元合金为对象，提出利用Mn含量调控相稳定性实现增材制造中晶粒细化的新设计范式，并结合多种表征手段揭示了凝固机制。
2024-05-06 cond-mat.mtrl-sci
Icosahedral quasicrystal-enhanced nucleation in Al alloys fabricated by selective laser melting
选择性激光熔化（SLM）正在迅速发展成为主流技术。然而，这种增材制造方法的非平衡条件所固有的固化和微结构发展的基本机制仍然是未知的，这与传统加工技术的典型机制有很大不同。在这项工作中，在深入表征的微观结构的Al 7075 SLM处理的样品，从粉末混合物含有ZrH 2微粒，证明了发生二十面体准晶增强成核激光制造过程中。迄今为止，仅在含有微量Cr添加物的铸造Al-Zn和黄金合金中观察到这种凝固机制（Kurtuldu等人，2013）或Ti（Chen等人，2018）和Ir（Kurtuldu等人，2014），通过存在异常高比例的孪晶边界和位于等轴、随机织构化的超细晶粒基质内的孪晶最近邻之间的五重取向对称性来证明。这项研究证明了增材制造方法为研究新的物理冶金现象以及先进金属的设计提供了广泛的可能性。
2021-05-11 cond-mat.mtrl-sci
Convective effects on columnar dendritic solidification -- A multiscale dendritic needle network study
重力诱导的浮力，在大多数固化过程中不可避免的，大大改变了晶体生长的动力学，这样，将流体流动的固化模型是至关重要的理解和预测微观结构选择的关键方面。在这里，我们提出了一个多尺度的树枝状针网络（DNN）模型定向凝固，包括液体中的浮力流动，并将其应用到一系列的合金和生长条件。在简要介绍了该模型之后，我们研究了Al-4at.%合金中稳定的一次枝晶间距的选择Cu和In Ti-45at.%铝合金在不同的重力水平下，比较这两个应用程序公布的相场结果和实验测量。然后，我们模拟了最近报道的振荡生长行为通过X射线原位成像的定向凝固的镍基高温合金CMSX-4。在这最后一个应用中，DNN模拟设法再现振荡生长行为，因此允许识别振荡生长机制背后的基本机制。特别是，我们表明，持续的振荡发生时，平均液体流速接近晶体生长速度，和初级枝晶间距也发挥了至关重要的作用，在振荡行为。
2022-08-08 cond-mat.mtrl-sci
Probing the dynamics of quasicrystal growth using synchrotron live imaging
准晶生长的动力学是凝聚态物质中一个尚未解决的问题。通过同步辐射实时成像，刻面生长进行的切向运动的凸台在固-液界面上清楚地证明了所有沿凝固的二十面体AlPdMn准晶。界面动力学的影响是显着的，使新的小面晶粒的形核和自由生长发生在熔体中的凝固速率增加时。详细解释了这些晶粒的演化，揭示了铝排斥在毒化晶粒生长和驱动流体流动中的关键作用。
2005-07-06 cond-mat.mtrl-sci
The size effect on nucleation process during solidification of metals
本文通过对比薄平板和块体样品，揭示了金属凝固形核过程中尺寸效应的影响：平板样品形核主要受模具壁表面活性控制，而块体样品还受杂质、温度和密度涨落等因素共同作用。
2025-07-07 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Explicit temperature coupling in phase-field crystal models of solidification
我们提出了一个相场晶体（PFC）凝固模型，占热传输和温度依赖的晶格参数。弹性效应的特点是通过连续的弹性场计算的微观密度场。我们展示了模型的能力，通过选定的数值研究，重点是从熔体中的二维晶体的原型生长，从而在多面的形状和枝晶。这项工作为包括热膨胀在内的综合性凝固细观模型奠定了基础。
2022-05-30 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
An integrated model for the post-solidification shape and grain morphology of fusion welds
通过一个综合的宏/细观计算模型，我们研究了焊缝熔化和凝固过程中的发展形状和晶粒形态。除了宏观的表面张力驱动的流体流动和传热，我们预测的凝固过程中使用的细观模型占现实的凝固动力学，而不是准平衡热力学。宏观尺度和中尺度之间的紧密耦合将我们的结果与以前发表的研究区分开来。包括马兰戈尼驱动的流体流动和传热，在加热和冷却过程中，被发现是至关重要的，准确地预测熔池形状和晶粒形态。然而，如果只有焊池的形状是感兴趣的，热力学准平衡凝固模型，忽略凝固动力学，被发现是足够的，包括流体流动和传热时。我们证明，添加足够浓度的约1 $μ$ m直径的TiN晶粒细化颗粒有效地触发了从柱状枝晶到等轴晶粒的有利过渡，因为它允许后者在柱状枝晶前沿的过冷熔体中非均匀地成核。这种从柱状生长到等轴生长的过渡对于广泛不同的焊接条件是可实现的，并且其精确的性质对颗粒的浓度和不准确地已知的模型参数相对不敏感。
2015-03-04 cond-mat.mtrl-sci physics.flu-dyn
Alloying Effects on the Microstructure and Properties of Laser Additively Manufactured Tungsten Materials
本文研究 ZrC 与 NiFe 合金化对激光增材制造钨缺陷、微观结构及性能的影响，揭示二者分别提升硬度稳定性与韧性，并验证 WNiFe+ZrC 复合体系的有效性。
2023-11-03 cond-mat.mtrl-sci
Effects of isotherm patterns on cellular interface morphologies of melt pool origin
本研究通过三维相场模拟探究增材制造中不同等温线模式对熔池胞状界面形态的影响，发现等温线微小变化显著影响微观结构，非平面等温线产生更细胞状结构且减少偏析，为凝固材料宏观描述提供依据。
2024-11-22 cond-mat.mtrl-sci
Formation of Nb-rich droplets in laser deposited Ni-matrix microstructures
采用实验和模拟方法研究了Ni-Nb合金在激光功率床熔融凝固过程中形成的富Ni $γ$胞和富Nb共晶液滴。有限元模拟估计在熔池中的冷却速率和相场模拟预测所得到的蜂窝状微观结构。的细胞和液滴的间距被确定为冷却速率的函数，并适合于幂律。Laves相的形成预测的Nb在液滴中的临界成分。最后，我们的模拟表明，在$γ$取向的各向异性影响的Laves分数显着。
2017-11-20 cond-mat.mtrl-sci
Low artificial anisotropy cellular automaton model and its applications to the cell-to-dendrite transition in directional solidification
建立了一个低人工各向异性的元胞自动机（CA）模型，用于模拟定向凝固组织的演化。采用有限近邻固相分数（LNSF）方法对CA模型的捕获规则进行了修正。比较了各种界面曲率计算方法。当界面能各向异性系数分别为ε=0.01、ε=0.03和ε=0.05时，模拟的平衡形状与理论形状一致。研究了物理参数（Γ，Dl，k 0，ml）对CDT的影响。本文的主要发现是发现了当溶质分配系数k 0大于某一临界值时，Vcd的变化行为。当k 0小于0.125时，Vcd符合Kurz和Fisher准则Vc/k 0，而当k 0>0.125时，Vcd等于8Vc。丁二腈-丙酮（SCN-ace，k 0 =0.1）和SCN-樟脑（k 0 =0.33）的实验数据支持CA模拟的结论。
2014-10-15 cond-mat.mtrl-sci
Application of Finite Element, Phase-field, and CALPHAD-based Methods to Additive Manufacturing of Ni-based Superalloys
在这项工作中使用的数值模拟研究方面的显微组织和显微偏析的镍基高温合金在激光粉末床熔融增材制造过程中的快速凝固。有限元分析的热建模模拟激光熔池，表面温度与Inconel 625上的原位热成像测量结果一致。提取模拟熔池的几何和热特征，并用于随后的中尺度模拟。在两个长度尺度上模拟了熔池中的凝固。采用Scheil-Gulliver凝固模型和DICTRA软件计算了Inconel 625多元合金枝晶间的显微偏析。相场模拟，使用Ni-Nb作为一个二元类似物的Inconel 625，产生的显微组织与主细胞/树枝状臂间距与实测间距在实验观察到的显微组织和较小程度的显微偏析比预测的DICTRA模拟协议。的组合物配置文件是用来比较热力学驱动力的成核对实验观察到的沉淀物通过电子和X射线衍射分析确定。我们的分析列出了可能由富枝晶间成分的FCC相形成的沉淀物，并将这些沉淀物与在两个温度下1小时热处理的实验观察到的相进行比较：1143 K（870°C）下的应力消除或1423 K（1150°C）下的均匀化。
2017-05-04 cond-mat.mtrl-sci
A mesoscale granular model for the mechanical behavior of alloys during solidification
我们提出了一个二维颗粒模型的机械行为的合奏的球状晶粒，在凝固过程中。通过基于预定义核的阵列的Voronoi镶嵌来产生颗粒结构。我们考虑的流体流动所造成的晶粒运动和凝固收缩的通道网络，形成的晶粒的面在镶嵌。我们开发的控制方程的流速和压降时，每个通道允许移动的颗粒，然后我们组装成一个全球性的表达，保持系统中的质量和力的方程。我们表明，该配方是一致的非平衡态热力学耗散配方。几个例子的问题来说明拉伸应变的效果和液体供给变形的微观结构的可用性。对于低于gs=0.97的固体分数，我们发现，流体能够在低应变下供给变形，即使不允许外部供给。对于高于gs=0.97的固体分数，具有“干”边界的晶粒簇形成，并且流体流动变得高度局部化。
2009-08-23 cond-mat.mtrl-sci
Delineating the interplay effects of microstructure topology and residual stresses in ultrafast laser irradiated thin films
Forschungszentrum Juelich（于利希研究中心）；RWTH Aachen University, Faculty of Georesources and Materials Engineering（亚琛工业大学资源与材料工程学院）
本研究通过混合两温度模型-分子动力学模拟，探讨了超快激光照射下金薄层中微结构拓扑、残余应力等因素的复杂相互作用，揭示了微结构配置、拓扑、晶粒尺寸和晶体学取向对激光-金属相互作用的层次影响。
2026-05-21 cond-mat.mtrl-sci
Close correlation between giant magnetostriction and the microstructure in Fe-Ga melt-spun ribbons
Initute for Material Research, Tohoku University（东北大学物质材料研究所周）；Mterials processing, Graduate School of Engineering, Tohoku University（东北大学大学院工学研究科材料加工）；Graduate School of Systems Science and Technology, Akita Prefectural University（秋田县立大学系统科学与技术研究学院）；Center for Science and Innovation in Spintronics, Tohoku University（东北大学自旋电子学科学与技术中心）
通过稀土掺杂和冷却速率优化，在Fe-Ga快淬薄带中实现<100>织构和磁弹各向异性，获得高达688 ppm的巨磁致伸缩。
2026-05-22 cond-mat.mtrl-sci
