Using a phase-field approach with the heat conduction equation, we predict the grain growth behaviors in tungsten (W) and their effects on effective thermal conductivity. Results show that the simulated grain growth kinetics is basically consistent with experimental observations. An empirical correlation is derived, describing the averaged grain area as a function of temperature and time. Further, we study the effect of grain growth, columnar crystal structure, and recrystallization on the effective thermal conductivity of W. It is found that the effective thermal conductivity increases nonlinearly with increasing grain size, and a simple correlation of converting two-dimension into three-dimension effective thermal conductivity is obtained. Interestingly, the effective thermal conductivity of the columnar crystal is relatively high along the elongated direction and higher than that of the isometric crystal. Nevertheless, the effective thermal conductivity decreases with the occurrence of the recrystallization due to the increased grain boundary density. Our results reveal that grain growth and grain structure can affect the capacity of heat transfer at high temperatures, which could be considered in the transient event of the long-time service of W materials in fusion devices.
熱伝導方程式を伴うフェーズフィールド法を用いて、タングステン(W)における粒成長挙動とその有効熱伝導率への影響を予測する。結果は、シミュレーションされた粒成長速度論が実験的観察と基本的に一致することを示している。平均結晶粒面積を温度と時間の関数として記述する経験的相関式が導出される。さらに、Wの有効熱伝導率に対する粒成長、柱状晶構造、および再結晶の影響を研究する。有効熱伝導率は結晶粒サイズの増加とともに非線形的に増加することが見出され、二次元から三次元の有効熱伝導率への変換の簡単な相関式が得られる。興味深いことに、柱状晶の有効熱伝導率は、伸長方向に沿って比較的高く、等軸晶のそれよりも高い。それにもかかわらず、有効熱伝導率は、粒界密度の増加により再結晶の発生とともに減少する。我々の結果は、粒成長と粒構造が高温での熱伝達能力に影響を与え得ることを明らかにしており、これは核融合装置におけるW材料の長時間使用の過渡事象において考慮され得る。