真空压力浸渗SiCAl复合材料工艺过程数值模拟研究.pdf

《真空压力浸渗SiCAl复合材料工艺过程数值模拟研究.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。

1、真空压力浸渗SiC/Al复合材料工艺过程数值模拟研究龚燕妮2015年01月中图分类号：TB333UDC分类号：620真空压力浸渗SiC/Al复合材料工艺过程数值模拟研究作者姓名龚燕妮学院名称材料学院指导教师王扬卫(副研究员)答辩委员会主席王全胜(教授)申请学位级别工学硕士学科专业材料科学与工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月20日StudyonNumericalSimulationofgaspressureinfiltrationSiC/AlceramicmatrixcompositesCandidateName：YanniGongSchoolorDe

2、partment:MaterialsScienceandEngineeringFacultyMentor:A.P.YangweiWangChair,ThesisCommittee：Prof.QuanshengWangDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor：MaterialsScienceandEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：Jan.20,2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究

3、成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：摘要高陶瓷含量SiC/Al复合材料具有高比强度、高比刚度、高热导率、低热膨胀系数以及低密度等优点，是航空航天领域用大功率电子器件用理想的管壳材料。熔体真空压力浸渗多孔陶瓷是制备SiC/Al复合材料的重要工艺手段，但所制备的SiC/Al复合材料易出现孔隙和分层开裂等缺陷。本文基于铸造仿真模拟软件Pro

4、CAST，对真空压力浸渗工艺的全程进行数值模拟研究，以期深入分析复合材料缺陷产生机制，优化复合材料浸渗工艺，制备出合格的SiC/Al复合材料。主要研究成果如下。掌握了熔体在复杂三维连通微孔内浸渗充型过程和凝固冷却过程的数值模拟技术。采用ProCAST的Inverse模块实现了数值模拟模型中界面换热系数的优化，提高了模拟的精度；突破了基于多孔陶瓷真实孔隙特征建模技术，准确再现了三维连通复杂孔隙内熔体充型过程流动停顿的特殊现象；通过采用简化微孔模型建模技术，获得了微米孔隙中熔体充型流动中压力损失数据，以及熔体凝固冷却过程中残余应力的分布。准确预报了复合材料板内缩松位置和残余

5、应力分布，科学解释了复合材料内孔隙和分层开裂的形成机制。通过对真空气压浸渗过程的模拟发现，熔体在复杂三维连通微米孔隙中充型流动时熔体压力损失达到2.95MPa/mm，导致低压熔体优先充填尺寸较大的孔隙，随后出现流动的停顿，流速降低，压力回补，细小的横向孔隙得以充填，最终完成整个充型过程。复合材料心部是最后凝固的部位，容易存在缩松；SiC/Al复合材料厚度方向存在残余拉应力，达到100MPa以上（工艺条件为预制体温度650℃，浸渗温度780℃，浸渗压力8MPa），从而导致复合材料板在厚度方向易出现分层开裂。在实际实验中，SiC/Al复合材料确实在厚度方向上出现了开裂。采用

6、正交模拟浸渗试验，实现了真空气压浸渗工艺的优化，制备得到合格的SiC/Al复合材料。以减少SiC/Al界面反应（熔体浸渗时间）、减小复合材料孔隙，防止分层开裂为目标，对浸渗温度、浸渗压力和预制体温度等3个关键工艺参数进行正交试验优化。结果表明：浸渗压力是浸渗时间的主要影响因素，随着浸渗压力的降低浸渗时间逐渐增加；预制体温度是缩松分布及缩松体积的重要影响因素，随着预制体温度的降低，缩松体积减小，当预制体温度低于铝熔体的固相线温度，缩松体积最小，缩松位置向靠近引液管的复合材料边缘移动；浸渗压力是残余应力的主要影响因素，随着浸渗压力和浸渗温度的降低残余应力先增后减，残余应力随

7、着I预制体温度的降低而降低。真空压力浸渗最优工艺参数组合为预制体温度550℃，浸渗温度620℃，浸渗压力8MPa，采用此工艺浸渗得到完整、致密的SiC/Al复合材料，其孔隙率仅为1.0%。采用优化工艺制备得到的SiC体积分数为78%的SiC/Al复合材料的热导率（室-63温）为204.11W/m·K，热膨胀系数为8.95×10/K，密度为3.07g/cm，满足航天高功率电子器件封装用材料的要求。关键词：SiC/Al复合材料；真空压力浸渗；ProCAST模拟；工艺参数IIAbstractSiC/Alcompositeshavetheadva