Abstract The formation mechanism study of a spherical crystal is the theoretical basis for preparing high-quality semi-solid slurries with homogeneous spherical microstructure. The interaction between thermal-solute diffusion during solidification and solid-liquid interface migration determines the morphology evolution of microstructure according to the representation theory. Comprehensive research about the effects of local variates on the microstructural evolution of semi-solid slurry in a Representative Elementary Volume (REV) by 2D cases was conducted. A modified Phase-Field-Lattice-Boltzmann scheme using techniques of parallel computing and adaptive mesh refinement (Para-AMR) was adopted. Actual processing parameters were coupled with the numerical scheme. Mesoscopic results were upscaled by averaging them over the simulation domain. Five aspects, growth space, initial undercooling degree, cooling rate, natural convection, and forced convection, were investigated. It is found that the formation of spherical grain requires a specific initial undercooling degree, cooling rate, and nuclei density. Study results indicate that melt convection has little effect on the morphological evolution of grain in the case of rapid isotropic growth, which was verified by experiments using the SEED process. Besides, forced convection has a significant effect on the morphology evolution of grain controlled by solute diffusion, which provides a possibility of an extension of the process window about pouring temperature and alloys with narrow solidification range for preparing semi-solid slurries.

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半固态浆体的微观结构演化机制：使用相场-晶格-玻尔兹曼方案的研究

摘要 球形晶体的形成机理研究是制备具有均匀球形微观结构的优质半固态浆料的理论基础。根据表征理论，凝固过程中的热-溶质扩散与固-液界面迁移之间的相互作用决定了微观结构的形貌演变。通过二维案例综合研究了局部变量对代表性基本体积 (REV) 中半固体浆料微观结构演化的影响。采用了使用并行计算和自适应网格细化 (Para-AMR) 技术的改进的相场格子玻尔兹曼方案。实际加工参数与数值方案相结合。介观结果通过在模拟域上对它们进行平均来放大。研究了生长空间、初始过冷度、冷却速率、自然对流和强制对流五个方面。发现球形晶粒的形成需要特定的初始过冷度、冷却速度和晶核密度。研究结果表明，在快速各向同性生长的情况下，熔体对流对晶粒的形态演变几乎没有影响，这通过使用 SEED 过程的实验得到了验证。此外，强制对流对溶质扩散控制的晶粒形态演化有显着影响，这为制备半固态浆料的浇注温度和凝固范围窄的合金的工艺窗口提供了可能。和强制对流，进行了调查。发现球形晶粒的形成需要特定的初始过冷度、冷却速度和晶核密度。研究结果表明，在快速各向同性生长的情况下，熔体对流对晶粒的形态演变几乎没有影响，这通过使用 SEED 过程的实验得到了验证。此外，强制对流对溶质扩散控制的晶粒形态演化有显着影响，这为制备半固态浆料的浇注温度和凝固范围窄的合金的工艺窗口提供了可能。和强制对流，进行了调查。发现球形晶粒的形成需要特定的初始过冷度、冷却速度和晶核密度。研究结果表明，在快速各向同性生长的情况下，熔体对流对晶粒的形态演变几乎没有影响，这通过使用 SEED 过程的实验得到了验证。此外，强制对流对溶质扩散控制的晶粒形态演化有显着影响，这为制备半固态浆料的浇注温度和凝固范围窄的合金的工艺窗口提供了可能。研究结果表明，在快速各向同性生长的情况下，熔体对流对晶粒的形态演变几乎没有影响，这通过使用 SEED 过程的实验得到了验证。此外，强制对流对溶质扩散控制的晶粒形态演化有显着影响，这为制备半固态浆料的浇注温度和凝固范围窄的合金的工艺窗口提供了可能。研究结果表明，在快速各向同性生长的情况下，熔体对流对晶粒的形态演变几乎没有影响，这通过使用 SEED 过程的实验得到了验证。此外，强制对流对溶质扩散控制的晶粒形态演化有显着影响，这为制备半固态浆料的浇注温度和凝固范围窄的合金的工艺窗口提供了可能。