Investigation on dendritic solidification and microsegregation in presence of melt convection using phase field simulation

Abstract

A phase field model has been used to simulate dendritic solidification of a binary alloy in the presence of forced melt convection. The influence of melt flow on morphology and solute distribution was investigated for various conditions. The results showed that incorporation of fluid flow causes asymmetric dendritic growth which is amplified by increasing fluid velocity. Moreover, it has been found that the effects of melt flow on the growth of different arms depend on the preferred growth orientation of the dendrite with respect to flow direction. Solid microsegregation study of the growing dendrite arm perpendicular to the flow direction indicated that the position of the arm axis varied almost linearly with flow velocity. Introducing an adjusting term called an antitrapping current in the concentration equation prevents solute from being highly trapped in the solid phase and causes the phase field simulations to be more realistic, especially for high undercoolings.

On a utilisé un modèle de champ de phase pour simuler la solidification dendritique d’un alliage binaire en présence de convection forcée du bain. On a examiné l’influence de l’écoulement du bain sur la morphologie et la distribution de soluté sous des conditions variées. Les résultats ont montré que l’incorporation de l’écoulement du fluide produisait une croissance dendritique asymétrique qui est amplifiée par l’augmentation de la vitesse du fluide. De plus, on a trouvé que l’effet de l’écoulement du bain sur la croissance de différentes branches dépendait de l’orientation préférée de la croissance de la dendrite par rapport à la direction de l’écoulement. L’étude de la microségrégation solide de la branche de dendrite en croissance perpendiculaire à la direction de l’écoulement indiquait que la position de l’axe de la branche variait presque linéairement avec la vitesse de l’écoulement. L’introduction d’un terme d’ajustement, appelé courant de contre-piégeage, dans l’équation de concentration empêche le soluté d’être trop piégé dans la phase solide et rend les simulations de champ de phase plus réalistes, particulièrement dans les cas de surfusions élevées.

Keywords:

• Phase field model
• Dendritic solidification
• Solute distribution
• Convection