SiCp预制体孔洞三维特征及其对铝液浸渗流动行为影响规律的研究

This project research is related to the preparation of composites with infiltration of liquid aluminum alloys into SiC particle preforms. With high-resolution three-dimensional (3D) X-ray Tomography techniques, actual spatial geometry model of the preforms will be analyzed, and hence the morphorlogies, characteraristics and distributions of the preform pores could be investigated.The effect of SiC particle characteristics (fractions, sizes) on the pore characteristics will be studied. Experiments of the composite vacuum investment casting process are planned to be performed. During the experiments, the syhchrotron radiation X-rays will be used to observe and record the flow behavior of the liquid infiltration and then the infiltration free surface and velocities could be analyzed, to clarify the theory of liquid aluminum alloy infiltration into SiC particle preforms with different pores. The mathematical model and numerical calculation will be established for macro- and micro- modelling of the liquid metal infiltration. According to the detected actual geometry model of the SiCp preforms, the multiscale modelling will be applied to the experimental infiltration and will be verified further. With the modelling, the infuence of pore characteristics to the pressure and velocity of liquid infiltration could be discussed. The noveltyment of current project is to found research methods of ananlysis of 3D pore characteristics in SiCp preforms and in-situ X-ray observation and multiscale modelling of liquid aluminum alloy infiltration as well asd to propose the theory about the pore 3D characteristics and its effect on the liquid aluminum alloy infuitration.

针对SiC颗粒预制体铝合金液态浸渗制备复合材料，运用高精度X-射线三维断层扫描(3D X-ray Tomograpgy)获取预制体真实几何模型，分析预制体内孔洞的三维形貌与定量特征，研究SiC颗粒（体积分数、尺寸）对预制体孔洞三维特征的影响规律；进行该复合材料真空熔模铸造浸渗实验，使用同步辐射X射线实时观察与研究液态金属浸渗流动的自由表面和速度，揭示不同三维特征孔洞中铝液浸渗流动的变化规律；建立液态金属浸渗宏微观模拟的数学模型、数值计算方法，基于预制体真实几何模型，进行铝液浸渗的多尺度模拟应用与实验验证，分析孔洞三维特征对浸渗流体压力和速度的影响。创新之处在于：建立SiC颗粒预制体孔洞三维特征分析、铝液浸渗X射线实时观察与多尺度模拟的研究方法，形成SiC颗粒预制体孔洞三维特征及其对铝液浸渗流动行为影响规律的相关理论。

液态金属浸渗法是制备高体积分数（55-75%）SiCp/Al复合材料的主要方法，SiCp预制体的孔洞特征显著影响铝液的浸渗流动行为和复合材料的最终组织性能。在项目申请时，采用高精度X射线三维断层扫描技术研究预制体孔洞特征及基于真实几何模型的微尺度模拟尚未见报道。.项目制备了不同颗粒尺寸、淀粉（颗粒）含量的SiC颗粒预制体，采用高分辨（1.0μm）三维X射线μ-CT分析了预制体孔洞的三维形貌，首次使用三维孔隙网络结构模型对孔洞特征及其分布开展了研究，分析了淀粉（颗粒）含量和颗粒尺寸对SiCp预制体孔洞特征的影响规律。研究表明，随着淀粉含量的提高，预制体的总孔隙率和孔洞连通率提高，小尺寸孔洞和喉道显著增多，“孔洞颈”结构使得孔洞连通率降低；提高淀粉含量将破坏“孔洞颈”结构，孔洞平均尺寸和连通率提高；随着颗粒尺寸加大，造孔剂膨胀作用下降，大尺寸颗粒破碎且填充颗粒间隙，降低了连通率。研制出真空压力液态浸渗实验装置，完成了SiCp多孔预制体铝液浸渗实验，研究了造孔剂粒径、Mg元素含量和浸渗压力对SiCp/Al复合材料铝液浸渗、微观组织与力学性能的影响。考虑铝液与颗粒界面张力，建立了多孔预制体铝液浸渗流动的数学模型，对所重构的预制体真实几何模型，实现了微尺度网格化，完成了不同浸渗压力、铝液与颗粒润湿性、颗粒尺寸预制体下铝液浸渗的模拟计算，结果验证了模型与模拟技术的正确。.项目科学价值在于建立了多孔预制体高分辨三维X射线μ-CT和三维孔隙网络结构模型的分析方法，阐明该方法可更精确地分析预制体孔洞的形貌、体积和尺寸分布等特征，而传统压汞仪的孔洞体积分数和尺寸结果偏小，揭示了淀粉（颗粒）含量和颗粒尺寸对SiCp预制体孔洞特征的影响规律；建立了多孔预制体内浸渗流动的数学模型，形成基于预制体真实几何模型的微尺度模拟技术。研究可为该复合材料制备提高重要的理论支撑和分析技术方法。