Phase-field modeling of microstructural evolution in multicomponent alloy systems

In dieser Arbeit verwenden wir ein thermodynamisch konsistentes Phasenfeldmethode, um die morphologische Evolution während des Erstarrungsprozesses in Legierungen umfassend durch 2D- und 3D-Simulationen zu untersuchen.
Wir stellen eine Methodik zur Integration von thermodynamischen Datenbanken in Phasenfeldsimulationen vor, insbesondere für stöchiometrische Phasen, bei denen die Daten begrenzt sind. Dies ermöglicht die Erstellung thermodynamisch konsistenter Modelle für drei repräsentative Legierungssysteme: Fe-C, Al-C und Mo-Si-Ti. Diese Modelle werden durch Phasefeldsimulationen validiert, die sowohl zwei- als auch dreidimensionale Simulationen für alle drei Systeme umfassen, um die Entwicklung von Zweiphasen-Mikrostrukturen zu untersuchen.
... mehr
In unserer Studie gehen wir zunächst auf den peritektischen Übergang im binären System Fe-C ein, mit dem Ziel, den isothermen peritektischen Übergang mit einer Flüssigkeitssättigung in Legierungen zu interpretieren. Anschließend nutzen wir das Phasenfeldmodell, um den peritektischen Übergang im binären System Al-C zu untersuchen. Im Gegensatz zur emblematischen Mikrostruktur, die sich durch den peritektischen Übergang in Fe-C bildet, wächst die peritektische Phase Al$_4$C$_3$ auf der Oberfläche der Ausgangsphase Graphit mit einer nadelförmigen Struktur. Unter Verwendung der kristallinen Anisotropie im PF-Modell stellen wir die Bildung dieser nadelförmigen Morphologie dar und untersuchen den kritischen Orientierungswinkel einer nadelförmigen Al$_4$C$_3$ -Struktur auf den Graphitoberflächen. Durch Simulation des Diffusions-Reaktionsprozesses im Al-C-System klären wir die Mechanismen der Orientierungsauswahl im Phasenübergang aus energetischer Sicht auf, was zu einem besseren Verständnis der Wachstumsorientierung in ähnlichen Systemen beiträgt.
Zusätzlich untersuchen wir mithilfe der Phasenfeldmethode die morphologische Evolution von lamellaren Eutektika während des dreiphasigen eutektischen Übergangs im Mo-Si-Ti-Ternärsystem. Aufbauend auf unserem Verständnis der grundlegenden peritektischen Übergänge und eutektischen Transformationen aus vorherigen Studien, untersuchen wir den quasi-peritektischen Vierphasenprozess in diesem Ternärsystem und analysieren die morphologische Evolution während dieses Phasenübergangsprozesses. Unsere rechnerische Untersuchung dieses komplexen Phasenübergangs wirft Licht auf den zugrunde liegenden Wachstumsmechanismus für die Bildung von Lamellenpaaren in der Mo-Si-Ti-Legierung.
Für die Untersuchung des Einflusses dieser Schlüsselparameter werden so- wohl qualitative als auch quantitative Analysemethoden zur Untersuchung der Mikrostrukturen eingesetzt. Die vorliegende Arbeit umfasst eine vollständige Untersuchungskette von der Modellierung der Materialsysteme über die Durchführung repräsentativer Phasenfeldsimulationen bis hin zur Analyse der sich entwickelnden Mikrostrukturen.

In this thesis, we employ a thermodynamically consistent multi-phase, multi-component phase-field (PF) model to comprehensively investigate the morphological evolution during solidification process in alloys through 2-D and 3-D simulations.
We introduce a methodology for integrating thermodynamic databases into phase-field simulations, specifically for stoichiometric phases, where data is limited. This enables the creation of thermodynamically consistent models for three representative alloy systems: Fe-C, Al-C, and Mo-Si-Ti. These models are rigorously validated through phase-field simulations, encompassing both two- and three-dimensional simulations for all three systems to explore the development of two-phase microstructures.
... mehr
In our study, we first delve into the peritectic transition in Fe-C binary system, aiming to interpret the isothermal peritectic transition with a liquid supersaturation in alloys. Subsequently, we utilize the phase-field model to study the peritectic transition in the Al-C binary system. In contrast to the emblematic microstructure formed by peritectic transition in Fe-C, the peritectic phase Al$_4$C$_3$ grows on the surface of the parent phase graphite with a needle-like structure. Leveraging crystalline anisotropy within the PF model, we depict the formation of this needle-like morphology and investigate the critical orientation angle of a needle-like Al$_4$C$_3$ structure on graphite surfaces. Through simulating the diffusion-reaction process in the Al–C system, we elucidate the mechanisms of orientation selection in the phase transition from an energetic perspective, contributing to a better understanding of growth orientation in similar systems.
Additionally, employing the phase-field method, we study the morphological evolution of lamellar eutectics during three-phase eutectic transition in Mo-Si-Ti ternary system. Building on our understanding of fundamental peritectic transitions and eutectic transformations from the prior studies, we scrutinize the quasi-peritectic four-phase reaction in this ternary system and analyze the morphological evolution during this phase transition process. Our computational investigation into this intricate phase reaction sheds light on the underlying growth mechanism for the formation of lamellae pairs in Mo-Si-Ti alloy.
To investigate the influences of various key parameters, we utilize qualitative and quantitative methods to analyze the solidified microstructures in alloys. This work encapsulates a comprehensive investigation, starting from modeling the material systems to conducting representative phase-field simulations, and culminating in the analysis of resulting microstructures.