定向凝固过程中气泡与枝晶界面相互作用的CA-FD-LB多尺度模拟与实验研究

针对气泡缺陷对金属凝固组织性能的影响机制难题，研究人员通过CA-FD-LB多尺度耦合模型结合SCN-ACE透明合金定向凝固实验，系统揭示了气泡吞噬与捕获两种相互作用模式。研究发现气泡作为溶质汇引发局部溶质重分布，加速固相包络形成并调控枝晶间距，为理解气泡扰动下凝固组织演化机制提供了定量分析工具。

　　

在金属材料制备领域，气泡缺陷如同潜伏的"隐形杀手"，会显著降低材料的延展性、屈服强度和抗疲劳性能。传统铸造、焊接和增材制造过程中的定向凝固环节，气泡与枝晶的复杂相互作用一直是制约产品性能提升的瓶颈问题。尽管前人通过X射线成像和透明合金实验观察到气泡引发的枝晶偏转、界面变形等现象，但受限于实验手段，难以获取溶质场演变等关键定量数据，制约了对微观机制的理解。

为突破这一局限，国内某高校研究团队在《Materials》发表重要成果，创新性地将细胞自动机（CA）、有限差分（FD）和格子玻尔兹曼（LB）方法耦合，建立了CA-FD-LB多尺度模型，并配合SCN-ACE透明合金定向凝固实验，首次在相同材料体系和可比工艺参数下实现了气泡-枝晶相互作用的定量化研究。研究采用水平Bridgman型定向凝固装置，通过保留玻璃管中微量空气人为制造气泡，结合高精度温度控制系统（G_s=3-5 K/mm，V_p=15.6-80 μm/s），同步捕捉枝晶演化动态。模型验证阶段通过Laplace定律和接触角预测证实了LB模型对气液界面行为的精确描述能力。

4.1 模型验证
通过静态气泡压力差与曲率关系的线性拟合（R²>0.99），验证了LB模型对表面张力γ的量化准确性。调整流体-固体粘附参数G_ads成功实现了接触角从亲水（<90°）到近不润湿（～180°）的连续调控，为后续三相润湿模拟奠定基础。

4.2 枝晶尖端气泡吞噬
当R=70 μm气泡位于枝晶尖端时（λ₁=225 μm），溶质场分析显示三相点处溶质浓度（2.36 wt%）显著低于相邻枝晶尖端（2.7 wt%），证实气泡作为溶质汇加速固相包络形成。大尺寸气泡（R=250 μm）会阻断3根原始枝晶，形成宽达390 μm的液相通道，新枝晶竞争性生长导致最终间距重组。

4.3 枝晶间气泡捕获
偏离枝晶尖端的气泡（R=70 μm）被侧枝捕获后，溶质富集区厚度（th_A）比未受影响枝晶（th_B）增加23%，导致原始枝晶"As"被横向偏移的新枝晶"Bs"取代。当局部间距（λ₁=225 μm）接近气泡直径时，空间约束效应抑制包络凸起发育，削弱气泡对组织调控的影响。

多气泡相互作用
三气泡（R=80/190/390 μm）共存时，溶质扩散区叠加引发枝晶尖端偏转（P₂,P₃），最终枝晶数量从7根减少至5根，证实气泡群协同作用会放大间距调整效应。

该研究通过多尺度仿真与实验的精准互证，首次定量揭示了气泡尺寸与位置对枝晶演化的差异化影响机制。提出的CA-FD-LB耦合框架为复杂气-液-固相变模拟提供了新范式，对优化铸造工艺参数、控制凝固缺陷具有重要指导价值。特别是发现临界气泡尺寸（≈λ₁）效应，为航空发动机叶片等关键铸件的微观组织设计提供了理论依据。未来可进一步耦合热释放效应，拓展至三维多物理场模拟。