二層對(duì)推式攪拌槳對(duì)B4Cp/A356復(fù)合材料半固態(tài)攪拌流場(chǎng)影響的數(shù)值研究

張雪飛, 白景元, 管仁國(guó), 劉 燕, 周天國(guó)

(1. 沈陽(yáng)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 遼寧 沈陽(yáng) 110044; 2. 東北大學(xué) a. 材料科學(xué)與工程學(xué)院, b. 冶金學(xué)院, 遼寧 沈陽(yáng) 110819)

二層對(duì)推式攪拌槳對(duì)B4Cp/A356復(fù)合材料半固態(tài)攪拌流場(chǎng)影響的數(shù)值研究

張雪飛1, 白景元1, 管仁國(guó)2a, 劉 燕2b, 周天國(guó)1

(1. 沈陽(yáng)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 遼寧 沈陽(yáng) 110044; 2. 東北大學(xué) a. 材料科學(xué)與工程學(xué)院, b. 冶金學(xué)院, 遼寧 沈陽(yáng) 110819)

為了優(yōu)化傳統(tǒng)半固態(tài)攪拌鑄造設(shè)備,設(shè)計(jì)出二層對(duì)推式攪拌槳,對(duì)其半固態(tài)攪拌鑄造B4Cp/A356時(shí)的流場(chǎng)進(jìn)行了Fluent模擬.對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行軸向流域、徑向流域以及鋁液攪拌形態(tài)的驗(yàn)證試驗(yàn),對(duì)實(shí)驗(yàn)所得的兩個(gè)鋁錠進(jìn)行了宏觀的對(duì)比分析.發(fā)現(xiàn)二層對(duì)推式攪拌槳更易使碳化硼顆粒帶入鋁液中,促進(jìn)碳化硼顆粒在鋁液中的均勻分散;二級(jí)交錯(cuò)式槳葉布置可減少無(wú)碳化硼顆粒摻入?yún)^(qū)域.

B4Cp/A356; 模擬; 半固態(tài)攪拌鑄造; 均勻分散

顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有良好的耐腐蝕性、耐磨性,因其制備方式較多,且制備價(jià)格低廉,現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于軍事、電子信息、汽車、航空航天等領(lǐng)域[1-2].但顆粒增強(qiáng)體與基體潤(rùn)濕性很差,極其容易形成顆粒團(tuán)聚,從而導(dǎo)致制備出的材料良品率低[3].半固態(tài)攪拌法利用對(duì)處于固液兩相區(qū)的熔體施加強(qiáng)烈的機(jī)械攪拌剪切力,從而使顆粒增強(qiáng)體分散在基體中.相對(duì)于傳統(tǒng)的液相法,半固態(tài)法制備出的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料,其顆粒分散更為均勻,且兩相之前具有良好的潤(rùn)濕性[4-5].通常使用超聲波震動(dòng)法、電磁攪拌法以及機(jī)械攪拌法等制備半固態(tài)漿料.但除機(jī)械攪拌法以外的兩種方法都有生產(chǎn)成本高和設(shè)備復(fù)雜等缺點(diǎn).所以,既靈活又簡(jiǎn)單的低成本機(jī)械攪拌法更有利于推廣半固態(tài)鋁基復(fù)合材料技術(shù)[6-9].

近年來(lái),碳化硼顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研究越來(lái)越多,但對(duì)制備工藝的研究甚少[10].所以本課題設(shè)計(jì)出一種新型的攪拌桿,具備雙層對(duì)推式槳葉.首先利用Fluent 6.3.26流體模擬軟件對(duì)新型雙層對(duì)推式攪拌槳所產(chǎn)生的攪拌流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,對(duì)采用了新型攪拌桿進(jìn)行半固態(tài)攪拌鑄造的攪拌流場(chǎng)進(jìn)行研究,分析其對(duì)碳化硼顆粒分散效果的影響,并得出優(yōu)化參數(shù),制造出優(yōu)化后的攪拌桿.然后分別使未優(yōu)化與優(yōu)化后的攪拌桿進(jìn)行半固態(tài)攪拌鑄造,制備出B4Cp/A356復(fù)合材料.最后通過(guò)實(shí)物宏觀對(duì)比其分散效果.

1 模型的建立與前處理

本課題采用定制的攪拌桿和坩堝,攪拌桿由上層下壓式45°平直葉槳和下層-45°上推式平直葉槳組成.攪拌桿的兩層槳葉間排列角為90°,攪拌槳葉片直徑與坩堝直徑比為0.89.攪拌槳和坩堝的結(jié)構(gòu)如圖1所示.槳葉長(zhǎng)160 mm,寬13 mm,厚5 mm.攪拌軸長(zhǎng)180 mm,直徑20 mm,下平面離底高度10 mm,液面高度190 mm.坩堝內(nèi)徑180 mm,壁厚12 mm.上層槳中心平面與下層槳中心平面距離70 mm,下層槳中心平面離底高度60 mm.

攪拌槳使用三維制圖軟件UG NX 7.0生成,然后把文件導(dǎo)入前處理軟件Gambit中,把計(jì)算區(qū)域用Gambit軟件畫(huà)出,同時(shí)把計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散.坩堝采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格,其網(wǎng)格單位數(shù)為102 305.最后指定邊界條件類型,動(dòng)區(qū)域網(wǎng)格相對(duì)細(xì)密,且將其設(shè)定在靠近槳葉附近,靜區(qū)域設(shè)立在坩堝其他區(qū)域.

圖1 攪拌桿與坩堝的物理模型Fig.1 Physical model of stirring rod and crucible

2 使用Fluent對(duì)模型求解

把前處理器Gambit所建立的網(wǎng)格與模型導(dǎo)入三維單精度求解器中.在此模擬中選用低速不可壓流動(dòng)流體,求解采用隱式方案,選擇穩(wěn)態(tài)分離式求解器.采用混合物多相流模型(Mixture)和k-ε模型,基本相選擇鋁液,第二相選擇碳化硼顆粒.設(shè)定邊界條件的方法:定義運(yùn)動(dòng)區(qū)域?yàn)闃~及其附近流體區(qū),在此區(qū)域選擇旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系,定義其他區(qū)域?yàn)殪o止區(qū)域,并在此區(qū)域選擇靜止坐標(biāo)系,假設(shè)流場(chǎng)在各攪拌轉(zhuǎn)速時(shí)全是近穩(wěn)態(tài)的完全湍流態(tài)(Re>1×10-5).定義動(dòng)壁面邊界條件為攪拌軸與槳.選擇動(dòng)參考系模型(MRF)來(lái)進(jìn)行動(dòng)區(qū)域設(shè)定[11],此區(qū)域轉(zhuǎn)速為800 r/min.攪拌槳的動(dòng)區(qū)域設(shè)置為同步轉(zhuǎn)速800 r/min.動(dòng)區(qū)域與靜區(qū)域的數(shù)據(jù)交流通過(guò)創(chuàng)建交接面實(shí)現(xiàn).壓力速度耦合選擇Phase Coupled Simple算法.松弛因子使用Fluent軟件的默認(rèn)值.設(shè)定壓力為控制求解參數(shù),并采用標(biāo)準(zhǔn)格式.選擇一階迎風(fēng)作為差分格式,置零初始條件,并設(shè)置值10-4為各項(xiàng)收斂殘差精度.

定義模擬實(shí)驗(yàn)材料鋁熔體密度700 kg·cm-3,黏度1.2 Pa·s;碳化硼顆粒密度2 520 kg·cm-3,粒徑20 μm,體積分?jǐn)?shù)10%.

3 分析與驗(yàn)證

3.1速度場(chǎng)的宏觀分布

圖2為雙槳攪拌桿的30°與60°軸向截面速度矢量圖.圖中顯示,在坩堝內(nèi)的攪動(dòng)流場(chǎng)具有極為不均勻的速度分布,雙槳攪拌桿的上層槳與液面間的速度較慢,在上下兩攪拌區(qū)的速度很快,雙槳攪拌桿軸部的速度較慢.無(wú)論是單槳還是雙槳攪拌桿,只要出現(xiàn)槳葉與液面間漿液流速慢的現(xiàn)象,就較難產(chǎn)生良好的攪拌混合效果,碳化硼顆粒不容易隨渦流浸入液體內(nèi)部[12].由于速度較慢,更容易促使鋁液表面氧化膜的形成,能夠防止進(jìn)一步氧化,保護(hù)了整個(gè)攪拌復(fù)合過(guò)程.所以,盡量在保持熔池液面完整的情況下進(jìn)行碳化硼、鋁的攪拌復(fù)合.在接近攪拌軸區(qū)域的速度較慢時(shí),會(huì)導(dǎo)致碳化硼顆粒集聚在攪拌軸附近,當(dāng)徑向流動(dòng)速度足夠快時(shí)可以避免抱軸現(xiàn)象.坩堝內(nèi)流體是同時(shí)具備徑向速度和軸向速度的,其內(nèi)部流體的合成速度是向下傾斜而非水平.上層下推式槳葉和下層上推式槳葉之間為高速流體區(qū)域,具備良好的攪拌混合效率[12].因?yàn)楸緮嚢钘U是與槳葉角度排列一致式相異的空間交錯(cuò)式排列方式,所以在不同界面上的速度與流型均不同,這種排列方式相對(duì)于一致式槳葉排列具備更大的徑向流面積[13].因此可以迅速地破壞徑向流;一致式排列的槳葉所產(chǎn)生的軸向流會(huì)在坩堝內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)完整的循環(huán),空間交錯(cuò)式二級(jí)攪拌槳所產(chǎn)生的軸向流相互影響,所以在坩堝內(nèi)產(chǎn)生的軸向環(huán)流并不完整,因此空間交錯(cuò)式二級(jí)對(duì)推攪拌槳的攪拌混合效率更高.

圖2 軸向截面流域綜合速度矢量Fig.2 Axial cross-section integrated velocity vector

3.2速度的軸向分布

在坩堝內(nèi)進(jìn)行攪拌時(shí),內(nèi)部液體會(huì)同時(shí)出現(xiàn)軸向流、周向流和徑向流,從而組成復(fù)雜的三位流動(dòng).軸向與徑向速度分布對(duì)坩堝內(nèi)攪拌混合效率起主要作用,因此主要分析了軸向與徑向的速度分布.規(guī)定軸向速度的正方向與z軸的正方向相同,徑向速度的正方向?yàn)閺臄嚢铇赶蜊釄灞诜较?

圖3是方向?yàn)?0°以及60°的軸向速度云圖.由于上層槳葉為下壓式,所以根據(jù)圖3可以明顯地看出負(fù)軸向速度出現(xiàn)在上層槳葉的上、下部.如果鋁液表面下的軸向流動(dòng)速度過(guò)慢,則不容易形成渦流,此時(shí)碳化硼顆粒難以融入鋁液,長(zhǎng)時(shí)間不被吸入鋁液中,最終導(dǎo)致碳化硼顆粒氧化.在圖3中可以看出30°的軸向速度分布,表明了上層下推式槳葉和液面間形成的是具備軸向循環(huán)流的流域[14].碳化硼顆粒極為容易浮于鋁液表面,因?yàn)殇X液的密度大于碳化硼顆粒的密度.因此,若要把浮在鋁液表面的碳化硼顆粒混進(jìn)鋁液中,則需要在此流域形成軸向循環(huán)流.此外,60°的軸向速度云圖表明,上層下推式槳葉與鋁液液面間的流域的速度方向有所改變,正軸向速度逐漸轉(zhuǎn)變成負(fù)軸向速度.高速的軸向循環(huán)流出現(xiàn)在上層下推式槳葉與下層上推式槳葉之間的流域中,貼近坩堝壁朝上的軸向流與貼近攪拌軸朝下的軸向流組成此循環(huán)流.根據(jù)30°與60°軸向的速度云圖可知,各流域都具有不同的軸向速度流暢.由于上槳葉與下槳葉排列角為90°,因此當(dāng)流體被上層下推式槳葉掃過(guò)后具有負(fù)軸向速度,而被下層上推式槳葉掃過(guò)后又具備正軸向速度,所以排列角為90°的對(duì)推式攪拌槳會(huì)影響到坩堝內(nèi)的軸向流.

圖3 軸向截面流域的軸向速度云圖

3.3速度的徑向分布

圖4和圖5分別為徑向界面流域內(nèi)上漿葉與下槳葉的徑向速度矢量圖, 根據(jù)圖中上漿葉周圍流域的流體徑向速度分布可以看出,最大速度出現(xiàn)在槳葉處, 攪拌軸與坩堝壁附近的速度相對(duì)很小, 沒(méi)有產(chǎn)生均勻的速度分布, 上下兩個(gè)攪拌區(qū)域均出現(xiàn)了徑向循環(huán)流. 在攪拌時(shí)液面形成的渦流極易把碳化硼顆粒帶入鋁液中進(jìn)行混合, 因?yàn)樘蓟痤w粒是隨著渦流并靠近攪拌軸的流域運(yùn)動(dòng)至鋁液內(nèi), 所以會(huì)有更多的碳化硼顆粒聚集在攪拌軸周圍的流域, 越靠近坩堝壁的碳化硼顆粒含量越少. 正徑向速度(由攪拌軸指向坩堝壁)分布在與xy平面平行的平面上有利于碳化硼顆粒在鋁液中的均勻分散. 在圖4與圖5中可以看出上漿葉與下槳葉徑向截面流域的徑向流場(chǎng)不同, 表明空間交錯(cuò)式二級(jí)對(duì)推攪拌槳會(huì)影響到徑向流場(chǎng).

圖4 上漿徑向界面流域的徑向速度云圖

圖5 下槳徑向界面流域的徑向速度云圖

3.4鋁液的攪拌形態(tài)

從圖6可以明顯地看到下推式上漿葉帶動(dòng)鋁液向斜下方運(yùn)動(dòng),更容易使碳化硼顆粒溶入鋁液中,上推式下槳葉帶動(dòng)鋁液向斜上方運(yùn)動(dòng),使下方碳化硼顆粒少的流域與上方碳化硼顆粒多的流域進(jìn)行交匯,從而均勻化鋁液內(nèi)的碳化硼顆粒密度.

圖6 二層對(duì)推式攪拌槳的鋁液粘著圖

圖7 整體攪拌鋁液漿體圖Fig.7 The overall stirring aluminum liquid slurry image

圖7中可以看到模擬計(jì)算出的x=0與y=0時(shí)整體攪拌鋁液漿體的狀態(tài),呈現(xiàn)出一個(gè)完整且連貫的流體域,由下推式上漿葉與上推式下槳葉攪動(dòng)產(chǎn)生的軸向循環(huán)流交匯而成.從整個(gè)漿體圖中可以發(fā)現(xiàn),在上下兩槳葉共同攪動(dòng)的作用下,坩堝內(nèi)漿體幾乎都具備一定的速度,使碳化硼顆粒在鋁液內(nèi)能夠更均勻的分布,并且沒(méi)有產(chǎn)生很明顯的無(wú)碳化硼顆粒摻入?yún)^(qū)域.

3.5驗(yàn)證試驗(yàn)

圖8a為使用普通單槳下推式攪拌桿制備出的B4Cp/A356鋁錠,圖8b為使用二層對(duì)推式槳葉攪拌桿制備出的B4Cp/A356鋁錠.可以明顯地看出,圖8a鋁錠碳化硼顆粒分布極為不均勻,并且有大量的碳化硼顆粒沒(méi)有溶入鋁液,經(jīng)氧化過(guò)后堆積在鋁液表面以及坩堝壁上;圖8b鋁錠碳化硼顆粒分布相對(duì)均勻性好,外表幾乎看不到碳化硼顆粒堆積,基本上都溶入到鋁液內(nèi)部,并且整體鋁錠的密度分布相對(duì)左側(cè)鋁錠更為均勻.說(shuō)明二層對(duì)推式槳葉攪拌桿對(duì)鋁溶液的流場(chǎng)產(chǎn)生了影響,對(duì)碳化硼顆粒在鋁溶液中的均勻分散起到了重要的作用.

圖8 不同方法制備的B4Cp/A356鋁錠

4 結(jié) 論

(1) 相對(duì)于單層下推式攪拌槳,二層對(duì)推式攪拌槳能夠在液面產(chǎn)生速度更快的渦流,使碳化硼顆粒更易進(jìn)入鋁液中.

(2) 二層對(duì)推式攪拌槳所產(chǎn)生的兩個(gè)軸向循環(huán)流相互交匯,會(huì)使鋁液的流場(chǎng)更為混亂不均,從而使碳化硼顆粒在鋁液內(nèi)更為均勻的分散.

(3) 合理布置攪拌槳的級(jí)數(shù)以及兩層槳葉間的排列角,可以避免速度為零的無(wú)碳化硼顆粒摻入?yún)^(qū)域的形成.

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NumericalSimulationofInfluenceofOrthogonalStirringRodsofTwo-LayerPusherRodonSimi-SolidMixingFlowFieldofB4Cp/A356Composites

ZhangXuefei1,BaiJingyuan1,GanRenguo2a,LiuYan2b,ZhouTianguo1

(1. School of Mechanical & Engineering, Shenyang University, Shenyang 110044, China; 2. a. School of Material Science and Engineering, b. School of Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110819, China)

The traditional semi solid stirring casting equipment was optimized, the stirring rods of two-layer pusher blades were designed, and the flow field of B4Cp/A356 by semi-solid stirring casting was simulated by Fluent. The simulation results were analyzed by axial and radial drainage basins, and the mixing forms of aluminum liquid were analyzed. The verification experiment has been carried out, and the two ingots have been compared macroscopically. Results showed that the stirring rods of two-layer pusher blades makes boron carbide particles more easily into liquid aluminum, it promoted boron carbide particles in molten aluminum dispersed uniformly; two staggered blade arrangement can reduce no boron carbide particles doped region.

B4Cp/A356; simulation; semi-solid stirring casting; dispersed uniformly

TG 249.9

: A

【責(zé)任編輯:趙炬】

2017-03-13

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51474063,51174139,50974035).

張雪飛(1972-),女,內(nèi)蒙古包頭人,沈陽(yáng)大學(xué)副教授,博士.

2095-5456(2017)04-0275-05