基于铝基碳化硅材料压力浸渍过程中的铝液流动性研究.pdf

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1、2015年8月机械设计与制造工程Aug．2015第44卷第8期MachineDesignandManufacturingEngineeringVo1．44No．8DOI：10．3969／j．issn．2095—509X．2015．08．018基于铝基碳化硅材料压力浸渍过程中的铝液流动性研究邓星，杨尔卫，高永昌(1．中国航天科工集团7801研究所，湖南长沙410205)(2．西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室，陕西西安710049)摘要：针对铝基碳化硅压力浸渍过程中铝液的流动性问题，采用ANSYS软件对铝合金熔液的注入和冷却过程进行了分析，计算表明将400g铝合金熔液注入模腔中，铝液在

2、注入后6．8s内处于流动性较好的状态，随后流动性逐渐减弱。设计相同尺寸工装进行压力浸渍试验，结果表明铝液在注入6．8s内呈现比较好的流动状态，与计算结果相符；此时采用活塞加压实现了碳化硅基材的浸渍，获得了性能良好的铝基碳化硅复合材料。关键词：压力浸渍；流动性；复合材料中图分类号：TH162．1文献标志码：A文章编号：2095—509X(2015)08—0082—04铝基碳化硅作为性能优越的金属基复合材料1铝液流动性分析在航空航天领域有广泛应用¨』。压力浸渍作为铝液的流动性分析综合了铝液的注人和熔融其制造的关键工艺，其基本原理是在外力作用下将相变潜热。。等过程，在ANSYS中分别采用生死单熔融

3、铝液压人到多孔质碳化硅骨架内部J。浸渍元法和焓值定义法加以等效，其分析过程是：将模不充分是造成复合材料缺陷的主要原因之一，主要具和碳化硅基材分别预热至设定的温度300℃和表现在材料的强度和热传导系数不能满足实际的800℃，然后在2．0s内将熔融铝液注入模腔内，随使用需求。就浸渍工艺而言，铝合金熔液的温度越后在模腔中逐渐冷却，确定熔融铝液处于比较好的高，流动J陛越好，越容易填充至多孔质碳化硅骨架流动状态的时间区间。具体流程如图1所示。内；碳化硅基材预热温度越高，铝合金熔液不会在填充过程中迅速冷却凝固，因此浸渍越充分。但是铝合金熔液和碳化硅骨架的温度又不能过高，因为在压力浸渍过程中，铝合金熔液与

4、碳化硅接触的界面容易形成铝对硅的溶解，在后期的冷却过程中铝合金溶液中溶解的硅更容易沿原始硅颗粒边缘析出，对复合材料的微观组织带来不利的影响，微观性能不容易控制J。为了保证浸渍的充分性，提高铝液的流动性能，并有效避免由于温度过高带来的微观组织不可控，本文采用有限元数值模拟技术，其能比较准确图1有限元分析流程图地预测铝合金溶液的流动特性，为压力浸渍工艺的可靠性奠定重要的基础，从而有效避免复合材料由熔融的铝液在2．0s内注入模腔，在此过程中于浸渍工艺带来的缺陷，提高了生产效率。模腔内的液面是逐渐升高的。铝液首先接触预热收稿日期：2015—05—13作者简介：邓星(1983一)，男，湖南长沙人．中国

5、航天科工集团7801研究所工程师，硕士，主要研究方向为先进机械设计及制造。·82·2015年第8期邓星：基于铝基碳化硅材料压力浸渍过程中的铝液流动性研究的碳化硅基材发生热传导，随着铝液液面的不断升系数。高，接触模腔侧壁，这一过程主要采用生死单元法该系统中的热传导主要包括模腔、铝合金熔液来实现。生死单元法通过将单元先杀死，然后逐层以及碳化硅基材3种不同材料之间的传导。激活单元来实现铝液液面的逐渐累加。单元的杀2．2．2热对流死不是将该模型中的单元删除，而是将该单元所包表面对流换热方程：含的节点隔离，不参与模型当前时刻的计算。铝液q=h(T1一)的冷却过程主要考虑了相变潜热的释放，通过计算式中：

6、h为对流换热系数；T为外界环境温度；T为密度与比热的乘积对温度的积分来实现。通过以环境温度。该系统中的热对流主要包括模腔、铝合上设置能模拟熔融的铝液从注入到冷却的一个动金溶液以及碳化硅基材与周围空气的自然对流。态过程。对铝液的流动性进行分析，根据铝合金材2．2．3热辐射料性能试验可知，铝液在520oC以上时，其流动性热辐射换热方程：能满足要求，因此通过对温度场进行分析，能获知g=6o'AlFl2(—)铝液流动性较好的区域，为后期工装试验提供理论式中：为辐射率；为波尔兹曼常数；A为辐射面基础。1的面积；F。为形状系数；为物体温度。热辐射主要针对高温物体，本系统中的热辐射只考虑高温2铝液流动性的

7、数值模拟铝液上表面及模腔表面的热辐射。2．1有限元模型2．2．4相变潜热由于铝液流动性计算的有限元模型是对称模相变潜热即在相变过程中吸收或释放的热。型，因此取四分之一模型进行分析，如图2所示。ANSYS通过定义材料的焓值随㈣温抛度啪的枷变化㈣来抛等啪效枷。该模型主要包括模腔、碳化硅基材以及熔融铝液。相变潜热。对该系统中铝合金熔液密度与比热的乘积对温度积分可近似等效为图3。~106／／。图2铝液流动性分析有限元