[论文解读] Phase-field modeling of non-isothermal grain coalescence in the unconventional sintering techniques

Yangyiwei Yang, Min Yi+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2018

Solidification and crystal growth phenomena参考文献 38被引用 4

一句话总结

本文提出了一种热力学一致的相场模型，用于模拟非等温烧结过程（如放电等离子烧结和选区激光烧结）中的非等温晶粒聚结。通过耦合温度依赖的自由能、晶粒取向与界面的序参量以及热传导动力学，该模型能够捕捉由于局部温度梯度引起的非对称形貌和弯曲晶界，准确预测多粒子系统中颈部生长、孔隙率演化以及晶粒的收缩与生长。

ABSTRACT

A thermodynamically consistent phase-field model is developed to study the non-isothermal grain coalescence during the sintering process, with a potential application to the simulation in unconventional sintering techniques, e.g. spark plasma sintering, field-assisted sintering, and selective laser sintering, where non-equilibrium and high temperature gradient exist. In the model, order parameters are adopted to represent the bulk and atmosphere/pore region, as well as the crystallographic orientations. Based on the entropy analysis, the temperature-dependent free energy density is developed, which includes contributions from the internal energy (induced by the change of temperature and order parameters) and the order parameter related configurational entropy. The temperature-dependent model parameters are determined by using the experimental data of surface and grain boundary energies and interface width. From laws of thermodynamics, the kinetics for the order parameters and the order-parameter-coupled heat transfer are derived. The model is numerically implemented by the finite element method. Grain coalescence from two identical particles shows that non-isothermal condition leads to the unsymmetric morphology and curved grain boundary due to the gradients of on-site surface and grain-boundary energies induced by the local temperature inhomogeneity. More simulations on the non-isothermal grain coalescence from two non-identical and multiple particles present the temporal evolution of grain shrinkage/growth, neck growth, and porosity, demonstrating the capability and versatility of the model. It is anticipated that the work could provide a contribution to the research community of unconventional sintering techniques that can be used to model the non-isothermal related microstructural features.

研究动机与目标

• 开发一种用于烧结过程中非等温晶粒聚结的热力学一致相场模型。
• 解决经典模型假设等温和平衡条件所存在的局限性。
• 模拟具有复杂几何形状和热梯度的多粒子系统中的真实微观结构演化。
• 实现对涉及高梯度温度和非平衡条件的非传统烧结技术的精确建模。
• 从实验数据中引入温度依赖的自由能、表面能和晶界能以及界面宽度。

提出的方法

• 使用序参量表示体相、孔洞和晶体取向，构建相场模型。
• 通过熵分析推导出温度依赖的自由能密度，包括内能和构型熵贡献。
• 利用表面能、晶界能和界面宽度的实验数据校准模型参数。
• 基于热力学定律推导序参量和热传导的动力学方程，确保与能量守恒一致。
• 采用有限元法对控制方程的弱形式进行数值实现。
• 系统方程包括序参量、温度和热流的耦合演化，采用变分形式以保证稳定性和准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 局部温度不均匀性如何影响烧结过程中晶界曲率和形貌不对称性？
• RQ2 温度梯度在多粒子系统中诱导非均匀颈部生长和孔隙率演化方面起什么作用？
• RQ3 在非等温条件下，温度依赖的表面能和晶界能如何影响晶粒聚结动力学？
• RQ4 该相场模型能否准确模拟具有热梯度的非相同粒子系统中的晶粒收缩与生长？
• RQ5 该模型在预测如SPS和选区激光烧结等非传统烧结技术中的微观结构演化方面，其预测能力达到何种程度？

主要发现

• 非等温条件导致晶粒形貌不对称和晶界弯曲，这是由局部温度梯度引起的空间变化的表面能和晶界能所导致。
• 对两个相同粒子的模拟表明，温度不均匀性引起具有非对称形状和非均匀曲率的颈部形成。
• 在多粒子系统中，该模型成功捕捉了晶粒收缩、颈部生长和孔隙率降低的时序演化。
• 该模型在非平衡热条件下能够预测真实的微观结构特征，如孔洞消除和晶界迁移。
• 引入温度依赖的自由能和热传导动力学，使该模型能够准确模拟粉末基系统中的复杂烧结动力学。
• 有限元实现确保了在处理复杂几何形状和非均匀热场时的鲁棒性和准确性。