脉冲微孔喷射法是一种单分散微球粒子制备方法,可制备多种材料,涵盖金属、非金属、金属玻璃等,制备的微球具有粒径均一、尺寸分布窄、球形度高等优点,广泛应用于电子封装、增材制造等领域。目前,脉冲微孔喷射法的工艺设计与优化主要依赖实验观察及理论解析,缺少针对合金微球制备过程的数值建模与计算预测的量化研究。本文重点围绕合金微球凝固过程的传热与枝晶生长行为的建模与数值计算方法进行研究,构建基于立方体单元有限差分的金属微球三维传热数值计算模型,在此基础上,建立二元合金微球凝固枝晶生长相场法数值计算模型,设计开发专用计算程序,计算讨论不同制备工艺下微球的温度分布与变化特征,对微球凝固过程中的枝晶生长与形貌演化进行模拟和分析,具体工作内容如下。针对脉冲微孔喷射法合金微球制备和凝固过程中的传热行为及特征,以有限差分法为手段,建立基于立方体单元的合金微球凝固传热数值计算模型,其中包括球形计算域差分网格、微球传热控制方程及运动模型,定义了计算域网格的体积损失和面积校正系数以保证计算精度,通过与极坐标系相同条件的传热计算结果进行对比,温度计算结果基本一致,证明了建立的模型和计算方法具有较高的计算精度。依据建立的球形计算域差分网格和微球传热及运动数值模型,利用C++编程语言开发出基于有限差分法的传热计算程序,计算并探讨了不同制备工艺下微球的温度场分布以及对流和辐射换热密度的变化规律。结果表明:He气保护气氛、初速度1m/s条件下,330μm粒径微球完全凝固用时约0.077s,390μm粒径用时约0.100s,485μm粒径用时约0.143s,微球的粒径越大,其冷却速度越缓慢;微球下落初速越大,冷却速度越快;加热温度对冷却速度影响较小;对于相同粒径微球,在He气下的平均凝固速度约为Ar气的3.8倍;辐射换热的热流密度随着微球粒径的增大而增大,对流换热的热流密度远高于辐射换热。在上述工作的基础上,以合金微球凝固过程的微观枝晶形貌为研究对象,建立了合金微球凝固过程枝晶生长的三维相场法数值计算模型,逐次构建相场、温度场和溶质场控制方程,确立数值计算的初始条件和边界条件,开发出基于有限差分法的枝晶生长相场计算程序,计算探讨微球凝固过程的枝晶生长行为及相关规律和特征。结果表明:随着过冷度的增大,枝晶生长速度加快,各向异性因子对枝晶的形貌特征有较大影响,是枝晶能否形成发达二次枝晶的重要因素之一,考虑对流及辐射换热后,枝晶在稳定生长一段时间后会快速生长。本文建立的相场法数值模型与计算结果为探讨合金微球凝固过程的枝晶生长行为提供参考。