基于C++相场的枝晶凝固织构仿真

关键词：相场模拟；枝晶生长；织构预测；CUDA加速；增材制造

一、文章简要介绍

增材制造的凝固速度横跨10的负4次方到10米每秒，晶粒在极端热条件下互相竞争，最终留下的晶体取向决定了构件的各向异性性能，但织构怎么选出来一直缺定量工具。 Northeastern 大学 Karma 团队在 Nature Communications 上给出了一套组合方案：先在激光重熔 AlSi 薄膜的 DTEM 实验里量化织构，再用 C/C++ 写的 CUDA 相场程序在 GPU 上复现枝晶生长竞争，反推出固液界面自由能各向异性的真实参数（DOI：10.1038/s41467-025-66655-2）。对做凝固与织构仿真的工程师来说，这套从实验到相场的闭环很有参考价值。

DTEM熔池动态与凝固速度测量

图1 DTEM拍摄的熔池动态、凝固速度曲线与熔池边界IPF图。

熔池边界晶粒竞争IPF时间序列

图2 熔池边界晶粒竞争IPF时间序列，不利取向晶粒逐步被淘汰。

二、仿真步骤

步骤一：实验数据获取。用动态透射电镜实时拍摄 Al1Si、Al3Si、Al6Si 薄膜的熔池凝固过程，实测凝固速度 0.5~2 m/s，落在增材制造特征区间；再用 ASTAR 取向成像配合 MATLAB 2024a 的 MTEX 工具箱完成晶粒取向标定，熔池边界按椭圆界面逐帧追踪。

步骤二：织构统计。对每个晶粒建立局部坐标系，把三次对称的三个特征方向投影到凝固方向上求和对齐量，用一千万个随机取向晶粒建立统计分布，再以 Z 评分衡量实测织构偏离随机的程度，显著性阈值取1.96，对应 p 值0.05。

实验织构离散极图

图3 不同硅含量与凝固阶段的实验织构离散极图。

SAST织构统计与Z评分

图4 SAST统计结果，随机分布与Z评分显著性判据。

步骤三：定量相场模拟。采用 Karma 定量相场模型描述枝晶生长，固液界面自由能各向异性用两参数形式，参数由分子动力学原子模拟给出；演化方程用 C/C++ 实现并跑在 CUDA 框架上，V100/H200 GPU 单精度计算，典型网格规模 5120×5120。

相场模拟织构与实验对比

图5 相场模拟织构与实验Z评分、晶粒数的对比。

三、关键结果与发现

单参数各向异性只偏好立方〈100〉生长方向，模拟出的织构与实验对不上；换成两参数形式后，AlSi 薄膜里观察到的〈110〉主导织构被成功复现，说明即便在每秒数米的快速凝固下，枝晶生长方向仍由界面自由能各向异性主导。晶粒竞争过程也被定量还原：初始29个晶粒随固相分数推进被淘汰到13个、再剩5个，zs[100] 评分越过1.96阈值并逼近完美对齐值，与实验逐段吻合（DOI：10.1038/s41467-025-66655-2）。

单参数各向异性模拟结果

图6 单参数各向异性下的模拟织构，与实验不符。

两参数各向异性模拟对比

图7 两参数各向异性模拟成功复现实验织构走向。

四、我们提供的服务

我们可提供以下仿真技术服务：①相场枝晶凝固模拟程序开发（MATLAB/C++）；②CUDA GPU并行加速与大规模网格计算；③增材制造熔池凝固织构预测；④晶粒竞争与织构统计分析；⑤相关代码移植、教程复现与项目咨询。

如有需要，欢迎通过公众号"320科技工作室"联系我们。