SiCp/ZL101A复合材料搅拌铸造和流动性的有限元模拟
发布时间：2022-01-12 21:18
SiCp/ZL101A复合材料在工业领域广泛应用于铸造成型,因此研究其熔体制备、组织性能和铸造特性很有必要。本文基于Ansys Fluent软件模拟搅拌铸造过程中的搅拌流场,以模拟计算结果为指导,采用半固态搅拌铸造工艺制备SiCp/ZL101A复合材料,通过金相显微镜、扫描电镜、透射电镜观察分析了复合材料的显微组织,研究了热挤压工艺和热处理工艺对复合材料力学性能的影响,最后基于Procast模拟研究了复合材料铸造流动性的影响因素。通过Ansys软件包中Design Modeler软件进行搅拌铸造设备（包含搅拌桨、搅拌轴和坩埚）的建模,使用Mesh划分网格并设置几何集,再基于商用CFD软件Ansys Fluent,选择MRF模型、多相流模型中的Mixture模型、湍流模型中的k-e模型,模拟计算搅拌桨高度、搅拌桨桨叶数量、搅拌桨转速对坩埚内搅拌流场（主要有压力场、流速场和湍流场）的影响,分析了搅拌桨转速对SiC颗粒分布的影响。模拟研究发现,搅拌桨的高度在熔体高度的10%-30%之间、搅拌桨桨叶数量越大、搅拌桨转速在1200rpm附近时,对SiC颗粒的均匀分布较为有利。通过半固态搅拌铸造制...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
螺旋砂型模具测试设备示意图[54]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-10-一般材料性能的评价方法要求具有可重复性和可比较性，材料铸造流动性的测量往往因为各种因素的影响而无法重复和比较。现在材料流动性的评价[54]一般有两种方法：螺旋砂型模具法和带型模具法。螺旋砂型模具测试设备如图1-1所示，主要由一个浇注杯、一个短的圆锥形浇口、一个连接到气缸的塞子棒和一个硅砂模具组成。带型模具测试设备如图1-2所示，主要由长度相同而截面大小不同的长通道、绝缘浇注套管、两个半圆柱组成的浇注系统等组成。图1-1螺旋砂型模具测试设备示意图[54]a)顶视图;b)塞子棒、浇注杯、砂型侧面图(尺寸单位为mm);c)开模和铸件样品图1-2带型模具测试设备示意图[54]a)带型模具的顶视图和侧视图(尺寸单位mm);b)开模和铸件样品1.4.2铝基复合材料铸造流动性的模拟目前关于复合材料铸造流动性的模拟目前还比较少。铸造流动性模拟大多是基于Procast进行的，但是Procast由于自身局限性，无法直接模拟颗粒和基体形成的两相流，因此目前大多数模拟方法都是先行计算复合材料在特定条件下的物性参数，再基于Procast进行复合材料铸造流动性的模拟。苏大为[55]等基于Procast进行了Al2O3/A356.2复合材料的铸造流动性模
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-13-中，升温至800℃，保温2小时。同时将铌坩埚升温至300℃，将铝液倒入其中，熔体呈现半固态，半固态温度为590℃，然后加入在400℃的炉子中预热120s的SiC颗粒，进行机械搅拌，转速控制在800rpm-1200rpm。转速要控制合适，转速太大，容易造成熔体吸入气体过多；转速太小，容易造成颗粒在熔体中团聚分布。机械搅拌30min后开始升温，保持转速不变，升温至605℃后，通入氩气除氢，降低转速至200rpm以下，不破坏颗粒表面氧化膜，升温至750℃时，浇注到300℃预热的模具中进行重力铸造。整个过程中，铝液温度变化如图2-2所示。图2-2搅拌铸造制备SiCp/ZL101A复合材料过程中的温度变化曲线2.2.2热挤压工艺SiCp/ZL101A复合材料的热挤压工艺通过200吨液压机来完成。挤压温度设置为450℃，挤压比设置为12:1，挤压速度为15mm/s左右，在进行热挤压之前，先行对复合材料进行均匀化热处理，即在500℃的温度下保温24小时。挤压前，将复合材料铸锭和挤压模具在450℃的温度下保温2小时，并且在挤压模具和套筒之间涂抹石墨油以达到减少摩擦阻力的目的。2.3材料组织结构分析2.3.1X射线衍射分析使用Empyrean智能X射线衍射仪，对SiCp/ZL101A复合材料进行X射
【参考文献】：
期刊论文
[1]半固态搅拌参数对A356-10%B4Cp复合材料显微组织的影响[J]. 张雪飞,白景元,管仁国. 材料导报. 2020(10)
[2]SiC颗粒增强铝基复合材料搅拌铸造过程数值模拟[J]. 毛安南,顿亚鹏,林锦明,杨伟,杜安栋,张荻. 铸造. 2020(03)
[3]三叶后掠-HEDT组合桨搅拌釜内流场的模拟及实验[J]. 周勇军,袁名岳,徐昊鹏,何华,孙建平. 化工学报. 2019(12)
[4]复合铸造A390/SiC复合材料的显微组织、力学和摩擦学性能（英文）[J]. Javad MOHAMADIGANGARAJ,Salman NOUROUZI,Hamed JAMSHIDI AVAL. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2019(04)
[5]SiCp/A357复合材料流动性数值模拟与实验研究[J]. 张桢林,张志峰,徐骏,王亚宝,毛卫民. 稀有金属材料与工程. 2018(11)
[6]真空搅拌铸造SiCP/ZL101A复合材料显微组织及力学性能研究[J]. 李早,王狂飞,南红艳,郭居魁. 热加工工艺. 2018(14)
[7]Microstructure and Properties of SiC/Gr Composite Reinforced Aluminum Matrix Composites Material[J]. 游志勇,WANG Zhuo,WEI Yinghui,CAI Laiqiang,ZHANG Jinshan. Journal of Wuhan University of Technology（Materials Science）. 2018(01)
[8]SiCp/Al复合材料搅拌铸造新型搅拌器流场及工艺研究[J]. 张桢林,张志峰,徐骏,张浩,毛卫民. 材料导报. 2017(10)
[9]Manufacturing of cast A356 matrix composite reinforced with nano- to micrometer-sized SiC particles[J]. Reza Taherzadeh Mousavian,Rasoul Azari Khosroshahi,Sasan Yazdani,Dermot Brabazon. Rare Metals. 2017(01)
[10]SiO2/Al复合材料搅拌铸造工艺的数值模拟[J]. 陶辰亮,李文芳,杜军,王康. 特种铸造及有色合金. 2016(11)
硕士论文
[1]铝-碳化硅复合材料的搅拌铸造组织致密度研究[D]. 苏昱.北京交通大学 2019
[2]石墨/AZ91D半固态机械搅拌制备及触变模锻成形研究[D]. 卢华领.哈尔滨工业大学 2019
[3]搅拌罐内液固两相流动的模拟研究[D]. 姜晓雪.东北石油大学 2018
[4]机械搅拌法制备SiCp/2014Al复合材料搅拌过程的数值模拟研究[D]. 闫禹伯.吉林大学 2016
[5]A356/SiCp搅拌制备过程增强颗粒流动与分布的研究[D]. 孙凤振.华南理工大学 2013
[6]SiCp/A357复合材料及低压铸造工艺研究[D]. 熊斌.哈尔滨工业大学 2009
[7]机械搅拌槽混合过程的数值研究[D]. 张伟山.哈尔滨工业大学 2009
[8]钇元素对ZL101A合金组织和性能的影响[D]. 接金川.哈尔滨工业大学 2008
本文编号：3585463
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
螺旋砂型模具测试设备示意图[54]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-10-一般材料性能的评价方法要求具有可重复性和可比较性，材料铸造流动性的测量往往因为各种因素的影响而无法重复和比较。现在材料流动性的评价[54]一般有两种方法：螺旋砂型模具法和带型模具法。螺旋砂型模具测试设备如图1-1所示，主要由一个浇注杯、一个短的圆锥形浇口、一个连接到气缸的塞子棒和一个硅砂模具组成。带型模具测试设备如图1-2所示，主要由长度相同而截面大小不同的长通道、绝缘浇注套管、两个半圆柱组成的浇注系统等组成。图1-1螺旋砂型模具测试设备示意图[54]a)顶视图;b)塞子棒、浇注杯、砂型侧面图(尺寸单位为mm);c)开模和铸件样品图1-2带型模具测试设备示意图[54]a)带型模具的顶视图和侧视图(尺寸单位mm);b)开模和铸件样品1.4.2铝基复合材料铸造流动性的模拟目前关于复合材料铸造流动性的模拟目前还比较少。铸造流动性模拟大多是基于Procast进行的，但是Procast由于自身局限性，无法直接模拟颗粒和基体形成的两相流，因此目前大多数模拟方法都是先行计算复合材料在特定条件下的物性参数，再基于Procast进行复合材料铸造流动性的模拟。苏大为[55]等基于Procast进行了Al2O3/A356.2复合材料的铸造流动性模
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-13-中，升温至800℃，保温2小时。同时将铌坩埚升温至300℃，将铝液倒入其中，熔体呈现半固态，半固态温度为590℃，然后加入在400℃的炉子中预热120s的SiC颗粒，进行机械搅拌，转速控制在800rpm-1200rpm。转速要控制合适，转速太大，容易造成熔体吸入气体过多；转速太小，容易造成颗粒在熔体中团聚分布。机械搅拌30min后开始升温，保持转速不变，升温至605℃后，通入氩气除氢，降低转速至200rpm以下，不破坏颗粒表面氧化膜，升温至750℃时，浇注到300℃预热的模具中进行重力铸造。整个过程中，铝液温度变化如图2-2所示。图2-2搅拌铸造制备SiCp/ZL101A复合材料过程中的温度变化曲线2.2.2热挤压工艺SiCp/ZL101A复合材料的热挤压工艺通过200吨液压机来完成。挤压温度设置为450℃，挤压比设置为12:1，挤压速度为15mm/s左右，在进行热挤压之前，先行对复合材料进行均匀化热处理，即在500℃的温度下保温24小时。挤压前，将复合材料铸锭和挤压模具在450℃的温度下保温2小时，并且在挤压模具和套筒之间涂抹石墨油以达到减少摩擦阻力的目的。2.3材料组织结构分析2.3.1X射线衍射分析使用Empyrean智能X射线衍射仪，对SiCp/ZL101A复合材料进行X射
【参考文献】：
期刊论文
[1]半固态搅拌参数对A356-10%B4Cp复合材料显微组织的影响[J]. 张雪飞,白景元,管仁国. 材料导报. 2020(10)
[2]SiC颗粒增强铝基复合材料搅拌铸造过程数值模拟[J]. 毛安南,顿亚鹏,林锦明,杨伟,杜安栋,张荻. 铸造. 2020(03)
[3]三叶后掠-HEDT组合桨搅拌釜内流场的模拟及实验[J]. 周勇军,袁名岳,徐昊鹏,何华,孙建平. 化工学报. 2019(12)
[4]复合铸造A390/SiC复合材料的显微组织、力学和摩擦学性能（英文）[J]. Javad MOHAMADIGANGARAJ,Salman NOUROUZI,Hamed JAMSHIDI AVAL. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2019(04)
[5]SiCp/A357复合材料流动性数值模拟与实验研究[J]. 张桢林,张志峰,徐骏,王亚宝,毛卫民. 稀有金属材料与工程. 2018(11)
[6]真空搅拌铸造SiCP/ZL101A复合材料显微组织及力学性能研究[J]. 李早,王狂飞,南红艳,郭居魁. 热加工工艺. 2018(14)
[7]Microstructure and Properties of SiC/Gr Composite Reinforced Aluminum Matrix Composites Material[J]. 游志勇,WANG Zhuo,WEI Yinghui,CAI Laiqiang,ZHANG Jinshan. Journal of Wuhan University of Technology（Materials Science）. 2018(01)
[8]SiCp/Al复合材料搅拌铸造新型搅拌器流场及工艺研究[J]. 张桢林,张志峰,徐骏,张浩,毛卫民. 材料导报. 2017(10)
[9]Manufacturing of cast A356 matrix composite reinforced with nano- to micrometer-sized SiC particles[J]. Reza Taherzadeh Mousavian,Rasoul Azari Khosroshahi,Sasan Yazdani,Dermot Brabazon. Rare Metals. 2017(01)
[10]SiO2/Al复合材料搅拌铸造工艺的数值模拟[J]. 陶辰亮,李文芳,杜军,王康. 特种铸造及有色合金. 2016(11)
硕士论文
[1]铝-碳化硅复合材料的搅拌铸造组织致密度研究[D]. 苏昱.北京交通大学 2019
[2]石墨/AZ91D半固态机械搅拌制备及触变模锻成形研究[D]. 卢华领.哈尔滨工业大学 2019
[3]搅拌罐内液固两相流动的模拟研究[D]. 姜晓雪.东北石油大学 2018
[4]机械搅拌法制备SiCp/2014Al复合材料搅拌过程的数值模拟研究[D]. 闫禹伯.吉林大学 2016
[5]A356/SiCp搅拌制备过程增强颗粒流动与分布的研究[D]. 孙凤振.华南理工大学 2013
[6]SiCp/A357复合材料及低压铸造工艺研究[D]. 熊斌.哈尔滨工业大学 2009
[7]机械搅拌槽混合过程的数值研究[D]. 张伟山.哈尔滨工业大学 2009
[8]钇元素对ZL101A合金组织和性能的影响[D]. 接金川.哈尔滨工业大学 2008
本文编号：3585463
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/3585463.html
