复合材料充型过程增强颗粒流动与冶金传输行为的相互关系研究

颗粒增强复合材料是金属基复合材料中最具发展力的，其充型过程中增强颗粒流动与冶金传输行为存在着相互作用的关系，对获得质量合格与组织性能均匀的铸件具有重要影响。本课题从冶金传输学角度，研究增强颗粒特征对充型过程能量和动量传输的影响规律；采用同步辐射X射线实时观察与追踪，研究复合材料液相和增强颗粒的充型流动行为与相互影响规律，以及增强颗粒的宏观偏析机制；通过欧拉法与拉格朗日法耦合，研究能够描述增强颗粒流动与冶金传输相互作用的ALE/Partical建模方法与模拟技术。创新之处在于：揭示复合材料充型过程增强颗粒、液相流动与冶金传输间的相互关系及所蕴含的科学规律，建立能描述该相互关系的数值模拟方法。为该复合材料大型复杂构件铸造成形提供理论与技术支持。

本课题完成了颗粒增强铝基复合材料充型过程温度变化、充填流动状态X射线实时观察、增强颗粒分布的实验研究，揭示了增强颗粒对复合材料充型传热和流动的影响规律，以及充型过程增强颗粒的流动与分布特性；建立了复合材料熔体和增强颗粒流动的欧拉法-拉格朗日法耦合的多相流数学模型，进行了其数值模拟应用与实验验证。. (1)为了研究颗粒增强复合材料充型过程的传热行为，设计与制作了该复合材料真空吸铸充型与温度测量的实验装置，使用不同尺度和数量的SiCp增强A356复合材料完成了吸铸和测温实验，对温度测量结果分析表明，颗粒的加入降低了金属液的热传导，且颗粒数量越多，复合材料流体和铸型的湿润程度降低，导致复合材料流体通过界面的热量传递下降，因此，增强颗粒体积分数越大，复合材料充型过程的温度降减小。. (2)建立了复合材料界面传热系数反算法模型与程序，对实验复合材料吸铸件的界面传热系数进行了求解，结果显示，在熔体温度到液相线附近时界面传热系数达到最大值；随着复合材料中增强颗粒数量的增加，界面传热系数峰值逐渐减小。. (3)首次完成了颗粒增强铝基复合材料铸造充型过程的同步辐射X射线实时观察，研究表明，在重力作用下，具有不同增强颗粒数量复合材料流体到达实验熔模铸造件直浇道底部时具有相同的速度，但由于含有较多增强颗粒的复合材料密度和粘度较大，具有更大的动量，其充填后面型腔的流动速度较大、充型时间较短。. (4)对不同数量和尺寸的SiCp增强A356复合材料吸铸件，定量分析了铸件不同部位的增强颗粒数量与分布，结果表明，增强颗粒尺度越大，充型过程引起的增强颗粒偏析越为严重；在充型的初始部位增强颗粒易在铸件边缘或表面聚集。. (5)为了预测颗粒增强铝基复合材料充型过程流动与增强颗粒分布，基于计算流体力学的欧拉法和拉格朗日耦合，建立了颗粒增强复合材料充型过程的多相流数学模型，对A356/10%100μmSiCp吸铸件进行了模拟应用与实验对比验证；结果表明，充型初始位置由于复合材料熔体与模具快速换热，致使靠近型壁部位的熔体温度下降，粘度升高，在此部位形成颗粒富集层；颗粒在前进过程中逐渐趋向型腔中心运动，并在铸件上部分布较为均匀，中心部位含量略多．增强颗粒在曳力和自身沉降的作用下，在铸件中沿着反重力的充型方向数量逐渐下降。