硕士毕业论文-机械搅拌制备sicp_20xx复合材料及搅拌过程中流场的数值模拟(编辑修改稿)

硕士毕业论文-机械搅拌制备sicp_20xx复合材料及搅拌过程中流场的数值模拟(编辑修改稿)内容摘要：

技术是一个非常古老常见的操作，但由于搅拌槽内流动情况的复杂性，机械搅拌过程中搅拌桨的设计还主要凭借经验，缺乏系统性第 1章 绪论 3 的研究。 而计算机流体动力学的诞生极大地促进了搅拌过程中的研究。 它可以模拟不同搅拌桨形式，不同浸入深度，不同安装方式等等条件下，搅拌槽内流场的分布及其对颗粒分散的影响。 而且这些影响的结果都是可视化的，可以很好地指导搅拌桨的优化设计，确定合适的搅拌工艺。 机械搅拌制备颗粒增强金属基复合材料的原理 机械搅拌制备颗粒增强金属基复合材料受很多因素的影响，如搅拌桨设计，搅拌温度，搅拌转速以及凝固过程等等。 这些因素难以完整地通过试验来确定。 必须通过建立相关的理论模型来进行预测和指导我们的制备工作。 颗粒进入熔体的热力学条件 搅拌的目的就是将颗粒强制带入金属熔体中，然后促使其均匀分布。 因此颗粒进入金属熔体的热力学过程是至关重要的。 如果忽略颗粒与熔体之间的界面反应，此几何模型可以在很大程度上得以简化。 就单个颗粒进入金属液的过程，如图 所示，图中 SV表示颗粒的表面能， LV表示熔体的表面张力， SL表示颗粒与熔体的界面能， 表示润湿角， 为半径角。 吉林大学硕士学位论文 4 图 颗粒进入熔体的过程 [15] Figure Schematic diagram of the entry of the particle into the melt 颗粒进入熔体，总自由能变化由下式所示： iEE  .................................................... (11) iE包含每一个颗粒的表面能、动能、热能以及势能等的变化。 假设颗粒为一个半径为 R 的球形粒子，那么颗粒混入金属液的过程即是半径角 在 0~180℃之 间 变化的过程。 各个能量的变化如下： 22[ 2( 1 c os ) c os sin ]su rf LVER         ......................... (12) 44 (1 c o s )3p o t SE R g      .................................... (13) 4 ( 3 c o s 4 8 c o s 3 1 2 c o s 2 7 2 c o s 5 5 )48s u y o LREg              ...... (14) 式中， L 、 S 指熔体与固体颗粒的密度， g 为重力加速度， surfE、 potE、suyoE分别指颗粒表面自由能变化，颗粒的热能变化以及由于浮力引起的颗粒的能量的变化。 通常对于润湿角小于 90176。 ，即 0E的颗粒，单从总能量方面上说，是可以自发进入金属液的。 而润湿角大于 90176。 的颗粒，从总能量角度讲，不可能自发地进入熔体。 其实无论二者之间的润湿角大于或小于 90176。 ，颗粒在进入金属液的最后阶段（图 的 (c)阶段），都必须克服一个能量障碍。 这个能量的值取决于润湿角 的大小以及该时刻颗粒平行于液面的表面积的大小。 综上，为了克服这个能量障碍可以采取的措施有：提高二者之间的润湿性；通过做功来提供克服这个能障的能量，比如机械搅拌，超声振动等。 颗粒进入熔体的 动 力学 条件 热力学条件仅仅只是二者能够混合的必要条件。 颗粒与熔体的混合能否实现必须是要建立在一定的动力学条件下 [15]。 机械搅拌 时，金属熔体会在坩埚的液面上方产生一个漩涡，漩涡的中心会产生负压，从而迫使颗粒进入熔体 [16]。 第 1章 绪论 5 假设漩涡中心位置受力为 F， 为旋转的角速度， r 为旋转半径，颗粒直径为 R，颗粒质量为 m ，则有下式： 2=ma=mFr外 力 ............................................. (15) 22= F 2 2W S m r R m R r外 力 外 力 .............................. (16) 2 2RWmr  外 力 ................................................ (17) 加速度： 2 2 422 2 43224( 1 c os ) ( 2 )324( 1 c os ) ( 2 )34233 ( 1 c os )82LV S LLV S LSLV LSSR R garRmR R gRRggR                  .................. (18) 由上述式子可以看出，旋转半径越大，角速度越大，颗粒越容易进入金属熔体。 但是实际上，旋转角速度越大，会形成较大漩涡，导致搅拌过程中卷入气体和夹杂，最终降低复合材料的性能。 机械搅拌制备 SiCp/Al 复合材料的技术问题 SiC 颗粒与铝基体之间的润湿性 润湿性指液体在固体表面铺展的能力。 SiC 颗粒与基体之间润湿性是影响复合材料性能的重要因素。 当二者之间润湿角 90时， SiC 颗粒能自发进入熔体。 但是未经预处理的 SiC 颗粒与金属基体之间的润湿角一般都大于 90176。 另外颗粒表面的状态，如杂质、氧化层等都影响其与金属的润湿性。 由杨氏方程： cos SV SLLV  ............................................ (19) 吉林大学硕士学位论文 6 提高润湿性的方法包括：（ a）提高颗粒的表面能 SV ；（ b）降低熔体的表面张力 LV ；（ c）降低颗粒与熔体的界面能 SL。 提高颗粒表面能的途径主要有以下几种：颗粒表面镀层、高温氧化及机械合金化 等。 表面镀层及机械合金化的方法不仅增强了颗粒的表面能，还将金属 陶瓷界面转变成了金属 金属界面，这在一定程度上也促进了润湿。 目前应用最广泛的镀层金属包括镍和铜，这是因为它们与许多金属之间的润湿性良好。 但镀层金属容易与熔体发生反应，从而影响最后的凝固形貌，而且镀层工艺比较复杂，成本较昂贵 [17]。 高温氧化能去除颗粒表面吸附的杂质，并且在颗粒表面形成一定厚度的氧化层（ SiO2）。 该方法具有工艺简便，成本低，易于推广等优点 [18]。 向熔体中添加适量的合金元素，如 Mg、 Ca、 Ti、 Zr，也可以促进颗粒与熔体的润 湿。 其中， Mg 的作用尤其突出。 . Pai 等 [19]认为 Mg 元素可以通过与氧反应， 减薄 SiC 颗粒表面吸附的气体层， 提高 SiC 颗粒与铝液的润湿性。 颗粒的尺寸对二者之间的润湿也有影响。 颗粒尺寸越小，越难润湿。 这是因为颗粒尺寸越小，其比表面积越大，当细小的颗粒通过液面进入熔体时，金属液会慢慢包裹颗粒，这会导致所需要的表面能的增加。 颗粒越小，所需要的表面能越大，这也是为什么颗粒越小，其越容易团聚的原因 [20]。 复合材料中的气孔 气孔是搅拌铸造所制备的铝基复合材料中常见的缺陷。 复合材料中气孔的体积分数、尺寸及其分布对复合材料的力学性能有着至关重要的影响。 气孔降低了铸件有效承载面积，还是裂纹的扩展源。 气孔率的高低不仅影响复合材料的致密性，也间接反应了颗粒在复合材料中的分布情况。 因此降低气孔率是机械搅拌制备颗粒增强金属基复合材料的一个重要目的。 但在铸造过程中想要完全避免气孔的产生，几乎是不可能的，但应尽最大可能减少气孔的存在。 一般来说，气孔产生的原因主要有以下三种：（ 1）搅拌过程中的气体卷入；（ 2）熔体吸入的氢；（ 3）凝固收缩，通常快冷 能降低铝合金铸件的气孔率，而对铝基复合材料中却恰好相反，这是因为复合材料中的气孔有很大一部分是搅拌过程中卷入的空气和熔体吸第 1章 绪论 7 入的氢，快冷时缩短了气泡逸出铸件的时间，从而提高了气孔率，故在机械搅拌制备复合材料过程中，预热模具有利于复合材料中气孔率的降低。 Ghosh and Ray[21]指出搅拌速度，搅拌时间以及搅拌桨的形状和位置都对气孔的形成有影响。 他们的研究表明当温度升高时，气孔率也跟着升高。 而且随着颗粒体积分数的增加，气孔率几乎是跟着线性增长。 另外气孔率与复合材料中颗粒的体积分数也有关。 当 SiC 颗粒体积 分数增加时，熔体的粘度会随之增加，颗粒表面吸附的气体以及搅拌过程中熔体卷入的气体上浮会更加困难。 颗粒表面所吸附的气体，大多为水蒸汽，也是复合材料中气孔的一个来源。 随着颗粒尺寸的减小，这种吸附更为严重。 Miwa 等 [22]提出颗粒表面吸附的水蒸汽与温度有很大关系，在 200℃ ~600℃ 时 ， 表面吸附的大部分水蒸汽可去除。 目前所应用的减小气孔率的方法有以下四种： (a) 真空下制备复合材料； (b)搅拌过程中通入惰性气体； (c) 压力铸造； (d) 二次加工，如压缩、挤压、轧制等。 提高模具温度也可以增加复合材料的致密性 [23]。 SiC 颗粒与基体之间的界面反应 增强体颗粒与基体之间的界面对复合材料的力学性能同样有着重要的影响。 复合材料就是利用界面将载荷由基体传递给强度更高的增强体，从而实现复合材料的强化 [24]。 一般来说，共格或半共格的界面结合是较好的结合，有利于复合材料力学性能的提高。 而不共格的界面结合，尤其是还含有脆性金属间化合物的界面，会强烈削弱复合材料的力学性能 [25, 26]。 研究表明， SiC颗粒与 Al 基体之间的界面结合机制可以分为下列五种： (1) 机械结合：此时颗粒与基体之间呈锯齿状或台阶状的机械咬合界面； （ 2）化学结合，此时界面为原子键结合，在二者的界面之间发生了电子的转移；（ 3）界面扩散结合，此时通过铝基体向碳化硅颗粒的单向扩散，引发二者的界面结合；（ 4）反应结合，通过颗粒与基体之间的界面化学反应生成新相，如 Al4C3或 MgAl2O4， 而形成的界面结合。 (5) 混合结合，由前面四种界面结合形式中的两种或多种所联合起作用的界面结合方式。 在 SiCp/Al 复合材料制备过程中，界面处常会生成 Al4C3组元。 反应方程式吉林大学硕士学位论文 8 如下 [27]： 4Al(l) + 3SiC(s) = Al4C3 + Si................................... (110) 反应产物 Al4C3较脆，形状为六边形薄片状。 它的存在降低了材料的强度、弹性模量和耐腐蚀性能。 可以通过向基体合金里添加 Si ，或对 SiC 表面进行镀层（或氧化）来抑制这个反应的发生。 在机械搅拌制备 SiCp/Al 复合材料过程中，搅拌工艺对界面反应的程度也有重要影响。 一般来说，搅拌温度的升高，高温搅拌时间延长，都会加剧界面反应的程度。 因此，在保证 SiC 颗粒与基体结合良好的前提下，尽量降低复合材料的制备温度和高温搅拌时间。 SiC 颗粒的均匀分布 SiC 颗粒在所制备复合材料中的均匀性对材料的性能有着重要的影响。 在机械搅拌制备 SiCp/Al 复合材料中，颗粒的分布受以下三个阶段的控制：（ 1）搅拌过程中，颗粒在熔体中的分散行为；（ 2）停止搅拌到凝固前在熔体中的分散行为；（ 3）凝固过程中，颗粒的重新分布行为 [28]。 搅拌桨、搅拌温度，以及颗粒的尺寸、体积分数等都是影响颗粒分布均匀性的重要因素。 颗粒尺寸越小，颗粒的比表面积越大，就越容易发生颗粒的团聚。 颗粒的体积分数增加时，熔体的粘度也相应增加，此时颗粒受到的阻力也明显增大，从而发生上浮或下沉的概率也大为减少。 另外，像高能超声振动法，对亚微颗粒的分散较为有效，但主要还是局 限在宏观上的分散，在微观上仍团聚较为严重。 颗粒的加入方式 颗粒的加入方式也是一个影响颗粒分布的一个关键因素。 常见的加入颗粒的方法有以下五种 [2, 29]： 1. 直接散粉法：将颗粒缓慢地由坩埚上方倒入熔体中。 2. 喷射法。 在喷射枪的存料罐中加入一定量的增强体颗粒，在喷射枪内通入惰性气体，在气流作用下将颗粒带入到熔体中。 第 1章 绪论 9 3. 通过一个往复运动的杆将颗粒运送到熔体中。 4. 通过离心的方法将颗粒分散到熔体中。 5. 机械合金化：将颗粒与金属粉末进行高能球磨，使 SiC 颗粒挤入金属粉末中，并均匀分布于其中。 然后将合金化好的粉末在熔体中稀释。 颗粒推移 在铸造复合材料中，颗粒的分布还受凝固过程的影响。 在凝固过程中，当悬浮在熔体中的颗粒与固 液界面前沿相遇时，有两种作用方式：一是沿着凝固前沿方向被推移；二是被凝固前沿吞并 [30]。 这两种作用方式都导致了凝固过程中颗粒的再分布。 对第二种作用方式来说，颗粒的最终分布与在熔体中基本一致，而第一种作用方式极易导致颗粒在最后凝固的区域团聚。 这也就是说，冷却速率对颗粒的最终分布有着重要影响。 如图 所示，晶粒最开始时是自由长大，但随着 晶粒的长大，在晶粒遇到颗粒时，其长大会受到颗粒的阻碍，最终可能导致颗粒扎堆在晶界间。 吉林大学硕士学位论文。