【正文】 ........................ 31 攪拌槳設(shè)計(jì)的數(shù)值模擬結(jié)果分析 .............................................. 33 槳葉形式的影響 ................................................................... 33 槳葉傾斜角度的影響 ........................................................... 36 槳葉浸入深度的影響 ........................................................... 38 目錄 III 攪拌工藝的數(shù)值模擬結(jié)果分析 .................................................. 39 熔體粘度的影響 ................................................................... 40 轉(zhuǎn)速的影響 .......................................................................... 41 時(shí)間的影響 .......................................................................... 43 模擬存在的問(wèn)題 ......................................................................... 44 本章小結(jié) ..................................................................................... 44 第 4 章 機(jī)械攪拌法制備 SiCp/20xx 復(fù)合材料 ................................. 47 試驗(yàn)材料 ..................................................................................... 47 基體材料 .............................................................................. 47 增強(qiáng)體材料 .......................................................................... 47 機(jī)械攪拌法制備復(fù)合材料工藝流程 .......................................... 48 攪拌工藝參數(shù)對(duì)復(fù)合材料組織的影響 ...................................... 50 攪拌溫度對(duì) SiCp/20xx 復(fù)合材料中顆粒分布的影響 ......... 50 攪拌轉(zhuǎn)速對(duì) SiCp/20xx 復(fù)合材料中顆粒分布的影響 ......... 52 攪拌時(shí)間對(duì) SiCp/20xx 復(fù)合材料中顆粒分布的影響 ......... 53 本章小結(jié) ..................................................................................... 55 第 5 章 結(jié)論 ...................................................................................... 57 參考文獻(xiàn) .............................................................................................. 59 作者簡(jiǎn)介及獲獎(jiǎng)情況 ............................................................................ 65 致謝 .............................................................................................. 67 第 1章 緒論 1 第 1 章 緒論 選題 意義 金屬基復(fù)合材料具有高的比強(qiáng)度和較好的耐腐蝕性能，其在工業(yè)領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。金屬具有很多優(yōu)良的性能，如高強(qiáng)度，良好的延展性，但其剛度較低，而陶瓷雖很脆，但其具有高 的比強(qiáng)度和剛度。每種制備工藝都想要盡可能地獲得顆粒分布均勻且與基體結(jié)合良好的復(fù)合材料 [5]。同時(shí)，基體可以選用任何合金，增強(qiáng)體也可以使用幾乎所有種類的增強(qiáng)相。其缺點(diǎn)是不易制備形狀復(fù)雜的產(chǎn)品，且對(duì)增強(qiáng)體顆粒損害較為嚴(yán)重 [7]。另外超聲工具頭易被金屬熔體腐蝕，給所制備復(fù)合材料添加了雜質(zhì)成分[8]。 機(jī)械攪拌制備顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料由于其簡(jiǎn)便、靈活，而被廣泛應(yīng)用。 加拿大和美國(guó)在機(jī)械攪拌制備金屬基復(fù)合材料方面的研究比較成熟，并在航空航天、汽車等領(lǐng)域得到了相應(yīng)的應(yīng)用。要推廣其應(yīng)用，關(guān)于復(fù)合材料的制備及成型工藝還需要做大量的研究 [14]。雖然攪拌 混合技術(shù)是一個(gè)非常古老常見的操作，但由于攪拌槽內(nèi)流動(dòng)情況的復(fù)雜性，機(jī)械攪拌過(guò)程中攪拌槳的設(shè)計(jì)還主要憑借經(jīng)驗(yàn)，缺乏系統(tǒng)性第 1章 緒論 3 的研究。 機(jī)械攪拌制備顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的原理 機(jī)械攪拌制備顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料受很多因素的影響，如攪拌槳設(shè)計(jì)，攪拌溫度，攪拌轉(zhuǎn)速以及凝固過(guò)程等等 。因此顆粒進(jìn)入金屬熔體的熱力學(xué)過(guò)程是至關(guān)重要的。假設(shè)顆粒為一個(gè)半徑為 R 的球形粒子，那么顆?；烊虢饘僖旱倪^(guò)程即是半徑角 ?在 0~180℃之 間 變化的過(guò)程 。而潤(rùn)濕角大于 90176。這個(gè)能量的值取決于潤(rùn)濕角 ?的大小以及該時(shí)刻顆粒平行于液面的表面積的大小。機(jī)械攪拌 時(shí)，金屬熔體會(huì)在坩堝的液面上方產(chǎn)生一個(gè)漩渦，漩渦的中心會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓，從而迫使顆粒進(jìn)入熔體 [16]。 SiC 顆粒與基體之間潤(rùn)濕性是影響復(fù)合材料性能的重要因素。 由楊氏方程： cos SV SLLV??? ??? ............................................ (19) 吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文 6 提高潤(rùn)濕性的方法包括：（ a）提高顆粒的表面能 SV? ；（ b）降低熔體的表面張力 LV? ；（ c）降低顆粒與熔體的界面能 SL?。但鍍層金屬容易與熔體發(fā)生反應(yīng)，從而影響最后的凝固形貌，而且鍍層工藝比較復(fù)雜，成本較昂貴 [17]。其中， Mg 的作用尤其突出。這是因?yàn)轭w粒尺寸越小，其比表面積越大，當(dāng)細(xì)小的顆粒通過(guò)液面進(jìn)入熔體時(shí)，金屬液會(huì)慢慢包裹顆粒，這會(huì)導(dǎo)致所需要的表面能的增加。氣孔降低了鑄件有效承載面積，還是裂紋的擴(kuò)展源。一般來(lái)說(shuō)，氣孔產(chǎn)生的原因主要有以下三種：（ 1）攪拌過(guò)程中的氣體卷入；（ 2）熔體吸入的氫；（ 3）凝固收縮，通?？炖?能降低鋁合金鑄件的氣孔率，而對(duì)鋁基復(fù)合材料中卻恰好相反，這是因?yàn)閺?fù)合材料中的氣孔有很大一部分是攪拌過(guò)程中卷入的空氣和熔體吸第 1章 緒論 7 入的氫，快冷時(shí)縮短了氣泡逸出鑄件的時(shí)間，從而提高了氣孔率，故在機(jī)械攪拌制備復(fù)合材料過(guò)程中，預(yù)熱模具有利于復(fù)合材料中氣孔率的降低。另外氣孔率與復(fù)合材料中顆粒的體積分?jǐn)?shù)也有關(guān)。 Miwa 等 [22]提出顆粒表面吸附的水蒸汽與溫度有很大關(guān)系，在 200℃ ~600℃ 時(shí) ， 表面吸附的大部分水蒸汽可去除。復(fù)合材料就是利用界面將載荷由基體傳遞給強(qiáng)度更高的增強(qiáng)體，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的強(qiáng)化 [24]。 (5) 混合結(jié)合，由前面四種界面結(jié)合形式中的兩種或多種所聯(lián)合起作用的界面結(jié)合方式。可以通過(guò)向基體合金里添加 Si ，或?qū)?SiC 表面進(jìn)行鍍層（或氧化）來(lái)抑制這個(gè)反應(yīng)的發(fā)生。 SiC 顆粒的均勻分布 SiC 顆粒在所制備復(fù)合材料中的均勻性對(duì)材料的性能有著重要的影響。顆粒的體積分?jǐn)?shù)增加時(shí)，熔體的粘度也相應(yīng)增加，此時(shí)顆粒受到的阻力也明顯增大，從而發(fā)生上浮或下沉的概率也大為減少。 2. 噴射法。 5. 機(jī)械合金化：將顆粒與金屬粉末進(jìn)行高能球磨，使 SiC 顆粒擠入金屬粉末中，并均勻分布于其中。這兩種作用方式都導(dǎo)致了凝固過(guò)程中顆粒的再分布。 吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文 10 圖 凝固過(guò)程中顆粒推移示意圖：（ a）晶粒自由長(zhǎng)大；（ b）晶粒與顆粒接觸；（ c）一部分顆粒被凝固前沿推移，一部分被吞入；（ d）顆粒的最終分布 Figure Schamatic representation of the particle distribution during solidification: (a) grain growing freely in the liquid。在擠壓過(guò)程中，復(fù)合材料受三向的壓應(yīng)力作用，基體會(huì)發(fā)生一個(gè) 方向上延伸，兩個(gè)方向上壓縮的流動(dòng)，晶粒在擠壓方向上被拉長(zhǎng)。攪拌槳的形狀、轉(zhuǎn)速以及相對(duì)液面的放置位置第 1章 緒論 11 都對(duì)顆粒的分布有著重要影響。攪拌槳的高速轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)其周圍流體的湍動(dòng)，同時(shí)產(chǎn)生一股高速射流引起周圍流體沿一定的方向在攪拌槽內(nèi)循環(huán)流動(dòng)。出現(xiàn)這種流型時(shí)，流體主要從槳葉被攪向周圍，卷吸至槳葉區(qū)的流體量甚小，垂直方向流體混合效果很差。 圖 常見的機(jī)械攪拌槳形式 [2] Figure Mechanical stirrer designs 在選擇攪拌槳時(shí)，應(yīng)考慮的因素很多，最基本的因素是攪拌的目的，物料的粘度以及攪拌容器容積的大小。渦輪式攪拌槳因其功率消耗大而不宜選取。平槳式攪拌槳很少用于分第 1章 緒論 13 散過(guò)程。平 槳式攪拌槳 的轉(zhuǎn)速低，僅適用于固體顆粒小、固液密度差小 、固相濃度較高、固體顆粒沉降速度較低的場(chǎng)合。結(jié)果表明：在這三種攪拌槳中，渦輪攪拌槳的攪拌效果最好，增強(qiáng)體顆粒被其產(chǎn)生的強(qiáng)烈流動(dòng)較均勻地帶入金屬熔體內(nèi)，而且陶瓷顆粒和金屬熔體混合較均勻；螺帶式攪拌槳雖能產(chǎn)生較強(qiáng)的渦流，但對(duì)陶瓷顆粒的均勻分布作用 不大；平直葉攪拌槳?jiǎng)t很難產(chǎn)生渦流或只能產(chǎn)生較弱的渦流。 此外， 攪拌槳 的浸入深度應(yīng)控制適當(dāng) 。 因此，合理選擇葉片的浸入深度至關(guān)重要。 吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文 14 本文的研究?jī)?nèi)容 本文的研究重點(diǎn)是攪拌槳的選擇以及攪拌工藝是如何影響攪拌槽內(nèi)的流場(chǎng)及流場(chǎng)內(nèi)的顆粒分散行為。通過(guò)攪拌操作可實(shí)現(xiàn)物料的混合、分散、懸浮、乳化，或強(qiáng)化熱質(zhì)傳遞。攪拌的 最主要目的就是防止 增強(qiáng)體 顆粒在攪拌槽內(nèi)的團(tuán)聚，盡可能地使顆粒均勻分布在 金屬熔體 中 。金屬熔體的攪拌更加難以進(jìn)行預(yù)測(cè)和測(cè)量。通過(guò)模擬實(shí)際工況，建立模型并進(jìn)行數(shù)值計(jì)算， CFD 技術(shù)可以獲得攪拌罐內(nèi)流場(chǎng)的詳細(xì)信息。流體運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性導(dǎo)致理論分析不可能求得具體的解析解。它能幫助科研工作人員理解一些復(fù)雜的流體力學(xué)問(wèn)題，為實(shí)驗(yàn)提供相應(yīng)指導(dǎo)，從而節(jié)省人力和物 力。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)為科學(xué)研究中很多復(fù)雜流動(dòng)等問(wèn)題提供了一個(gè)非常行之有效的計(jì)算技術(shù)。它很容易模擬高溫、有毒易燃等真實(shí)條件和實(shí)驗(yàn)中無(wú)法達(dá)到的理想條件。因此，一方面應(yīng)該把 CFD 看成一種輔助的研究手段和工具，將 CFD 技術(shù)與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)合起來(lái)，發(fā)揮分析人員的主觀能動(dòng)性，才可能比較順利地解決問(wèn)題；另一方面， CFD 分析人員應(yīng)該加強(qiáng)CFD 基本理論的學(xué)習(xí)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的積累，提高職業(yè)水平，合理充分地使用好這個(gè)強(qiáng)大的工具。例如， FLUENT○ R 、 CFX○ R 、 NUMECA/ FINETM 等 CFD 軟件在流體動(dòng)力工程已得到廣泛應(yīng)用 [48, 49]。另外它可以靈活地適應(yīng)各種機(jī)器與操作系統(tǒng)。另外 FLUENT吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文 18 握住了多樣化的數(shù)值算法：耦合顯示算法、耦合隱式算法、非耦合隱式算法 3 種數(shù)值算法。這就在很大程度上節(jié)省了在計(jì)算模擬上所投入的枯燥、重復(fù)而低效的勞動(dòng)，從而使相關(guān)人員能把更多的智慧和精力投入到相關(guān)流體問(wèn)題本身的探索上 [50]。 VOF 模型 VOF（ Volume of Fluid）模型是在歐拉網(wǎng)格下的一種固定的表面跟蹤方法。但當(dāng)求解與初始條件無(wú)關(guān)聯(lián)且模擬的各個(gè)相均有明顯的流入邊界的流體問(wèn)題時(shí)，也可以用來(lái)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算。在歐拉模型中并沒(méi)有液 —液，液 —固的區(qū)別，它將顆粒看作擬第 2 章 液固兩相體系的混合與數(shù)值模擬 19 流體，顆粒流為一種簡(jiǎn)單的流動(dòng)，流體相與顆粒相是共同存在， 互相滲透的連續(xù)介質(zhì) [53] 。相既可以是流體也可以是顆粒。 離散相模型 在離散相模型（ discrete phase model, DPM）中，流體相被認(rèn)為是連續(xù)相，而離散相以球形顆粒的形式分布在流體相中。 在連續(xù)的流體 相中 長(zhǎng)期 懸浮的顆粒流問(wèn)題 ，如攪拌釜、混合器、流化床等封閉體系內(nèi)的懸浮顆粒問(wèn)題，不適于使用穩(wěn)態(tài)離散相模型。 顆粒的作用力平衡方程在 Cartesian 坐標(biāo)系下的形式（ x 方向）為： ()()p x pD p xpdu gF u u Fdt ??? ?? ? ? ? ............................. (21) 其中 ( ()DpF u u? )為顆粒 所受 單位質(zhì)