Phase-field model for binary alloys

热力学 材料科学 热扩散率 相(物质) 领域(数学) 合金 分配系数 二进制数 巨大的潜力 凝聚态物理 物理 化学 冶金 数学 量子力学 算术 色谱法 纯数学
作者
Seong Gyoon Kim,Won Tae Kim,Toshio Suzuki
出处
期刊:Physical review 卷期号:60 (6): 7186-7197 被引量:1070
标识
DOI:10.1103/physreve.60.7186
摘要

We present a phase-field model (PFM) for solidification in binary alloys, which is found from the phase-field model for a pure material by direct comparison of the variables for a pure material solidification and alloy solidification. The model appears to be equivalent with the Wheeler-Boettinger-McFadden (WBM) model [A.A. Wheeler, W. J. Boettinger, and G. B. McFadden, Phys. Rev. A 45, 7424 (1992)], but has a different definition of the free energy density for interfacial region. An extra potential originated from the free energy density definition in the WBM model disappears in this model. At a dilute solution limit, the model is reduced to the Tiaden et al. model [Physica D 115, 73 (1998)] for a binary alloy. A relationship between the phase-field mobility and the interface kinetics coefficient is derived at a thin-interface limit condition under an assumption of negligible diffusivity in the solid phase. For a dilute alloy, a steady-state solution of the concentration profile across the diffuse interface is obtained as a function of the interface velocity and the resultant partition coefficient is compared with the previous solute trapping model. For one dimensional steady-state solidification, where the classical sharp-interface model is exactly soluble, we perform numerical simulations of the phase-field model: At low interface velocity, the simulated results from the thin-interface PFM are in excellent agreement with the exact solutions. As the partition coefficient becomes close to unit at high interface velocities, whereas, the sharp-interface PFM yields the correct answer.
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