基于鋁基碳化硅材料壓力浸漬過程中的鋁液流動(dòng)性研究

鄧 星，楊爾衛(wèi)，高永昌

(1.中國(guó)航天科工集團(tuán)7801研究所，湖南長(zhǎng)沙 410205)(2.西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710049)

鋁基碳化硅作為性能優(yōu)越的金屬基復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用［1－3］。壓力浸漬作為其制造的關(guān)鍵工藝，其基本原理是在外力作用下將熔融鋁液壓入到多孔質(zhì)碳化硅骨架內(nèi)部［4］。浸漬不充分是造成復(fù)合材料缺陷的主要原因之一，主要表現(xiàn)在材料的強(qiáng)度和熱傳導(dǎo)系數(shù)不能滿足實(shí)際的使用需求。就浸漬工藝而言，鋁合金熔液的溫度越高，流動(dòng)性越好，越容易填充至多孔質(zhì)碳化硅骨架內(nèi);碳化硅基材預(yù)熱溫度越高，鋁合金熔液不會(huì)在填充過程中迅速冷卻凝固，因此浸漬越充分。但是鋁合金熔液和碳化硅骨架的溫度又不能過高，因?yàn)樵趬毫n過程中，鋁合金熔液與碳化硅接觸的界面容易形成鋁對(duì)硅的溶解，在后期的冷卻過程中鋁合金溶液中溶解的硅更容易沿原始硅顆粒邊緣析出，對(duì)復(fù)合材料的微觀組織帶來不利的影響，微觀性能不容易控制［5］。

為了保證浸漬的充分性，提高鋁液的流動(dòng)性能，并有效避免由于溫度過高帶來的微觀組織不可控，本文采用有限元數(shù)值模擬技術(shù)，其能比較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)鋁合金溶液的流動(dòng)特性，為壓力浸漬工藝的可靠性奠定重要的基礎(chǔ)，從而有效避免復(fù)合材料由于浸漬工藝帶來的缺陷，提高了生產(chǎn)效率。

1 鋁液流動(dòng)性分析

鋁液的流動(dòng)性分析綜合了鋁液的注入和熔融相變潛熱［6］等過程，在ANSYS中分別采用生死單元法和焓值定義法加以等效，其分析過程是:將模具和碳化硅基材分別預(yù)熱至設(shè)定的溫度300℃和800℃，然后在2.0s內(nèi)將熔融鋁液注入模腔內(nèi)，隨后在模腔中逐漸冷卻，確定熔融鋁液處于比較好的流動(dòng)狀態(tài)的時(shí)間區(qū)間。具體流程如圖1所示。

圖1 有限元分析流程圖

熔融的鋁液在2.0s內(nèi)注入模腔，在此過程中模腔內(nèi)的液面是逐漸升高的。鋁液首先接觸預(yù)熱的碳化硅基材發(fā)生熱傳導(dǎo)，隨著鋁液液面的不斷升高，接觸模腔側(cè)壁，這一過程主要采用生死單元法來實(shí)現(xiàn)。生死單元法通過將單元先殺死，然后逐層激活單元來實(shí)現(xiàn)鋁液液面的逐漸累加。單元的殺死不是將該模型中的單元?jiǎng)h除，而是將該單元所包含的節(jié)點(diǎn)隔離，不參與模型當(dāng)前時(shí)刻的計(jì)算。鋁液的冷卻過程主要考慮了相變潛熱的釋放，通過計(jì)算密度與比熱的乘積對(duì)溫度的積分來實(shí)現(xiàn)。通過以上設(shè)置能模擬熔融的鋁液從注入到冷卻的一個(gè)動(dòng)態(tài)過程。對(duì)鋁液的流動(dòng)性進(jìn)行分析，根據(jù)鋁合金材料性能試驗(yàn)可知，鋁液在520℃以上時(shí)，其流動(dòng)性能滿足要求，因此通過對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，能獲知鋁液流動(dòng)性較好的區(qū)域，為后期工裝試驗(yàn)提供理論基礎(chǔ)。

2 鋁液流動(dòng)性的數(shù)值模擬

2.1 有限元模型

由于鋁液流動(dòng)性計(jì)算的有限元模型是對(duì)稱模型，因此取四分之一模型進(jìn)行分析，如圖2所示。該模型主要包括模腔、碳化硅基材以及熔融鋁液。

圖2 鋁液流動(dòng)性分析有限元模型

2.2 邊界條件分析

系統(tǒng)總體的熱分析是瞬態(tài)傳熱過程。在此過程中系統(tǒng)的溫度、熱流率及系統(tǒng)內(nèi)能隨時(shí)間都有明顯變化。根據(jù)能量守恒定律，考慮到材料的非線性，其熱平衡矩陣方程［7］為:

式中:［K(T)］為傳導(dǎo)矩陣，包含導(dǎo)熱系數(shù)、對(duì)流系數(shù)及熱輻射相關(guān)參數(shù);［C(T)］為比熱矩陣，主要是系統(tǒng)內(nèi)能的增量;{T}為節(jié)點(diǎn)溫度向量;{}為溫度對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù);{Q(T)}為節(jié)點(diǎn)熱流率向量，包含熱生成。

2.2.1 熱傳導(dǎo)

三維熱傳導(dǎo)微分方程:

式中:q為熱流密度;Kx，Ky，Kz為3個(gè)方向的導(dǎo)熱系數(shù)。

該系統(tǒng)中的熱傳導(dǎo)主要包括模腔、鋁合金熔液以及碳化硅基材3種不同材料之間的傳導(dǎo)。

2.2.2 熱對(duì)流

表面對(duì)流換熱方程:

式中:h為對(duì)流換熱系數(shù);T1為外界環(huán)境溫度;T為環(huán)境溫度。該系統(tǒng)中的熱對(duì)流主要包括模腔、鋁合金溶液以及碳化硅基材與周圍空氣的自然對(duì)流。

2.2.3 熱輻射

熱輻射換熱方程:

式中:ε為輻射率;σ為波爾茲曼常數(shù);A1為輻射面1的面積;F12為形狀系數(shù);Ta為物體溫度。熱輻射主要針對(duì)高溫物體，本系統(tǒng)中的熱輻射只考慮高溫鋁液上表面及模腔表面的熱輻射。

2.2.4 相變潛熱

相變潛熱即在相變過程中吸收或釋放的熱。ANSYS通過定義材料的焓值隨溫度的變化來等效相變潛熱。

對(duì)該系統(tǒng)中鋁合金熔液密度與比熱的乘積對(duì)溫度積分可近似等效為圖3。

圖3 鋁合金熔液焓值曲線

2.2.5 生死單元等效

該系統(tǒng)中生死單元法主要運(yùn)用于鋁液注入的過程，其等效基本步驟如下。

初始狀態(tài)下，鋁液未注入前整個(gè)單元區(qū)域處于未激活的狀態(tài);當(dāng)鋁液逐漸注入的時(shí)候，采用逐層激活的方式從下向上依次激活單元，激活單元的流程如圖4(a)～(e)所示。整個(gè)鋁液注入完成后，鋁液區(qū)域處于完全激活狀態(tài)，如圖4(f)所示。

2.2.6 初始溫度

本系統(tǒng)中環(huán)境溫度為20℃，模腔的初始溫度為300℃，碳化硅基材預(yù)熱溫度為800℃。

圖4 鋁液動(dòng)態(tài)注入過程

2.3 工藝參數(shù)優(yōu)化及結(jié)果分析

通過定義邊界條件，在鋁液注入完成后，其冷卻過程如圖5所示。

依據(jù)仿真結(jié)果(圖5)可知，鋁液在注入后6.8s以內(nèi)碳化硅基材上部的鋁液溫度在520℃以上，其流動(dòng)性能較好;隨著冷卻的繼續(xù)，基材上部鋁液的溫度逐漸降低，在16.0s時(shí)鋁液區(qū)域基本處于450℃以下，模腔邊緣的鋁液基本處在結(jié)晶溫度，流動(dòng)性能顯著減弱。

圖5 鋁液注入后冷卻過程

3 壓力浸漬實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)原理

結(jié)合仿真結(jié)果(圖5)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)工裝進(jìn)行壓力浸漬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)工裝如圖6所示。

該裝置由上模腔、下模腔、活塞及碳化硅基材等組成，實(shí)驗(yàn)用基材采用外徑為50mm碳化硅。實(shí)驗(yàn)的基本原理是將熔融的鋁合金溶液通過活塞加壓浸滲至預(yù)熱的碳化硅基材。

圖6 壓力浸漬工裝

3.2 實(shí)驗(yàn)過程

鋁基碳化硅復(fù)合材料制備壓力浸漬實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示。

圖7 浸漬實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

浸漬實(shí)驗(yàn)過程主要包括:

1)首先利用外部熱源將模腔預(yù)熱，同時(shí)使用紅外測(cè)溫儀測(cè)試其內(nèi)部溫度，等到模腔內(nèi)部溫度達(dá)到300℃后將外部熱源切換至保溫模式。

2)利用電燒結(jié)爐將碳化硅基材預(yù)熱至900℃(考慮到基材放置過程的溫度損耗)，然后迅速將基材放入預(yù)熱的模腔內(nèi)。

3)利用紅外測(cè)溫儀檢測(cè)碳化硅基材溫度，待其達(dá)到800℃左右時(shí)，關(guān)閉外部加熱電源，然后將熔融的鋁合金熔液在2.0s內(nèi)倒入模腔。

4)鋁液注入6.8s左右，作動(dòng)活塞下行至預(yù)定的行程，進(jìn)行碳化硅的壓力浸漬。

5)保持活塞壓力3.0s，然后抬升活塞，并利用外部的空氣對(duì)模腔進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。

6)取出浸漬后的鋁基碳化硅材料，按照要求進(jìn)行切片加工和相關(guān)性能測(cè)試。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將浸漬完成后的材料加工成規(guī)定試樣打磨后在顯微鏡下觀測(cè)其表面形態(tài)，如圖8所示。

由切片斷面圖像可知，鋁合金熔液在活塞下行壓力作用下滲入了碳化硅基材內(nèi)部，浸漬件熱傳導(dǎo)系數(shù)經(jīng)檢驗(yàn)為165～175W/mK，滿足鋁基碳化硅的性能指標(biāo)。

圖8 浸漬完成后試樣切面圖(20×)

4 結(jié)束語

結(jié)合鋁液熔融潛熱等因素，本文運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)熔融鋁液流動(dòng)性進(jìn)行了模擬和預(yù)判，獲得了合理的工藝參數(shù)指標(biāo)。通過設(shè)計(jì)相同尺寸的鋁基碳化硅壓力浸漬工裝，開展了壓力浸漬實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果表明，鋁液在注入6.8s以內(nèi)，運(yùn)用活塞對(duì)鋁液施加一定的壓力，實(shí)現(xiàn)了碳化硅基材的壓力浸漬工藝，加工后的復(fù)合材料切面外觀和熱學(xué)性能指標(biāo)滿足使用要求，說明鋁液在6.8s內(nèi)擁有良好的流動(dòng)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果符合，驗(yàn)證了該工藝過程的可靠性。

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