单辊甩带法制备铝基非晶带过程的数值模拟研究优秀毕业论文 参考文献 可复制黏贴.pdf

工学硕士学位论文 单辊甩带法制备铝基非晶带过 程的数值模拟研究 刘涛 哈尔滨工业大学 2007 年 7 月 国内图书分类号 tg244 3 国际图书分类号 621 工学硕士学位论文 单辊甩带法制备铝基非晶带过程 的数值模拟研究 硕 士 研 究 生 刘涛 导师 王卫卫教授 申请学位级别 工学硕士 学 科 专 业 材料加工工程 所 在 单 位 材料科学与工程学院 答 辩 日 期 2007 年 7 月 授予学位单位 哈尔滨工业大学 classified index tg244 3 u d c 621 dissertation for the master degree in engineering numerical simulation on process of preparing al based amorphous ribbons by singler roller melt spinning method candidate liu tao supervisor prof wang weiwei academic degree applied for master of engineering specialty materials processing engineering affiliation school of materials science and engineering date of oral examination july 2007 university harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘要摘要 单辊熔体急冷法是非晶材料研究和制备的主要方法之一 但对于合金的 急冷凝固过程却研究很少 由于合金凝固时间短暂 熔池尺寸微小 利用试 验方法直接测量温度场和速度场非常困难 为制备出非晶材料及寻找成形规 律常需要耗费很大的人力和物力 本论文以铝基材料为例 采用数值模拟的方法 利用 fluent 模拟计 算软件研究了单辊熔体急冷法的工艺制备过程与参数 在合金喷射过程的研 究中 研究了喷射距离 喷嘴尺寸 喷射压力的影响规律 通过模拟得到了 熔池形状 熔体的冷却速度 带材温度场分布 也得到了各个工艺参数对非 晶带体厚度的影响规律 以 ansys 软件为平台 研究了工艺参数如过热度 辊轮半径 辊轮宽 度 辊轮转速对铝基非晶带冷却的影响规律 以及各个工艺参数对辊轮表面 温度的影响规律 得到了带体和辊轮的温度场 模拟结果表明 在合金喷射过程中 熔池宽度随喷嘴尺寸 喷射压力 喷射距离的增大而增大 带体厚度随着喷嘴尺寸 喷射距离 喷射压力增大 而增大 熔体冷却速度随合金熔体的过热度和辊轮温度的增加而减小 随辊 轮半径 辊轮宽度 辊轮转速的增加而增大 在辊轮半径为 220mm 辊轮 转速为 2200r min 合金熔体过热度为 85 室温为 25 的情况下 制备出 的带体厚度为 39 06 m 400 前的平均冷却速度达到 2 149 106 s 关键词关键词 熔体快淬 铝基非晶条带 模拟 辊轮 i 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 abstract splat cooling of single roll molten is one of the main methods of amorphous materials study and prepare but the study on alloys splat cooling solidification process is very less because the time of solidification is short the size of the molten pool is small that it is very hard to measure the temperature field and velocity field directly through experiments it will waste lots of manpower and material resources to prepare amorphous material and find the regulation of formation this paper studies the technical process and parameters of splat cooling of single roll molten by using numerical simulation based on software fluent taking al based alloys as an example in the study of alloys ejecting process the influence regulation of ejecting distance ejecting pressure and nozzle form is studied through these simulations gain the molten pool form the velocity of the molten alloys the temperature field of amorphous ribbons and also get the influence regulations of these parameters to the thickness of amorphous ribbons study the technical parameters such as degree of superheat radius of the roll width of the roll and rotational speed of the roll to the cooling process of the al based alloys ribbons and the influence regulations of each technical parameter to roll temperature field get the temperature field of ribbons and the cooling roll based on ansys the simulation results show that in the process of alloys ejecting the width of molten pool becomes big along with the increase of nozzle dimension jet pressure and ejecting distance the thickness of the ribbons becomes big along with increase of nozzle dimension jet pressure and ejecting distance the cooling velocity decrease along with the increase of degree of superheat and the temperature of the cooling roll it increases along with the increase of radius width and rotational speed of the roll when the radius is 220mm width is 30mm the rotational speed is 2200r min the degree of superheat is 85 the room temperature is 25 get the ribbons with the thickness of 39 06 m and the average cooling velocity before 400 even reach to 2 149 106 s ii 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 keywords melt spinning al based amorphous ribbons simulation roller iii 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 目录目录 摘要 i abstract ii 第 1 章 绪论 1 1 1 课题背景及研究的目的和意义 1 1 1 1 课题背景 1 1 1 2 研究的目的和意义 2 1 2 国内外研究现状 3 1 2 1 非晶制备技术研究现状 3 1 2 2 非晶制备过程数值模拟技术研究现状 5 1 3 单辊甩带制备非晶合金法概述 6 1 3 1 非晶制备机理概述 6 1 3 2 单辊甩带法概述 7 1 4 主要研究内容 11 第 2 章 合金熔体在甩带过程中的模拟分析 12 2 1 引言 12 2 2 fluent软件算法实现 12 2 3 试验设计与数值模型的建立 14 2 3 1 试验设计方案 14 2 3 2 数值模型建立 15 2 4 试验结果与分析 16 2 4 1 喷射压力对合金液体甩带过程影响的结果与分析 16 2 4 2 喷嘴尺寸对合金液体甩带影响的结果与分析 20 2 4 3 喷射距离对合金液体甩带的影响的结果与分析 24 2 5 本章小结 28 第 3 章 非晶带冷却过程的模拟分析 29 3 1 引言 29 3 2 试验方案设计与模型建立 29 3 2 1 试验设计方案 29 3 2 2 数学模型的建立 30 3 2 3 辊轮表面温度对带体冷却速度的影响 31 iv 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 3 2 4 合金过热度对带体冷却速度的影响 38 3 2 5 辊轮半径对带体冷却速度的影响 41 3 2 6 辊轮转速对带体冷却速度的影响 45 3 2 7 辊轮宽度对带体冷却速度的影响 47 3 3 本章小结 50 第 4 章 甩带过程中辊轮温度场的模拟分析 51 4 1 引言 51 4 2 模拟试验的设计与模拟模型的建立 51 4 2 1 试验设计方案 51 4 2 2 数值模型的建立 53 4 3 模拟的结果与分析 53 4 3 1 辊轮宽度对辊轮温度分布的影响 53 4 3 2 辊轮转过的圈数对辊轮温度分布的影响 55 4 3 3 带材的厚度对辊轮温度分布的影响 57 4 3 4 辊轮半径对辊轮温度分布的影响 59 4 3 5 辊轮转速对辊轮温度分布的影响 63 4 4 本章小结 67 结论 68 参考文献 69 附录 74 攻读学位期间发表的学术论文 78 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 79 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书 79 哈尔滨工业大学硕士学位涉密论文管理 79 致谢 80 v 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第第1章 绪论章 绪论 1 1 课题背景及研究的目的和意义课题背景及研究的目的和意义 1 1 1 课题背景课题背景 非晶态合金也就是具有非晶体结构的合金材料 非晶态合金的主要特点是 原子在三维空间呈拓扑无序状排列 结构上没有晶界与堆垛层错等缺陷的存 在 因此它与晶态合金相比 在物理 化学和力学方面都具有无法相比的优异 性能 制备过程所采用的快速凝固工艺省却了传统冶金工艺中的铸 锻 轧和 中间退火等多道工序 节省大量能源和基建投资 是迄今为止冶金工艺中的最 短流程 所以非晶态合金及其制备工艺的发明被国际公认为是金属材料和冶金 工艺的两项革命性进展 1 时至今日 非晶态合金材料无论在制备和应用领域 都取得了极大的进展 美 日等发达国家非晶合金的生产已进入了大批量 商 业化的阶段 广泛应用于电力 电子及其它领域 2 在非晶合金的家族中 铝基非晶合金是其中重要的一员 铝基非晶合金以 其优异的性能 吸引了无数的材料研究人员的注意力 轻质铝合金在时效硬化 状态的强度为 500 600mpa 通过熔体快淬形成非晶铝基合金 其强度可提高 到 1200 1550mpa 是很有发展前途的高强度轻质材料 其超高比强度和良好 的稳定性能特别适合于航空航天领域 而且有望在未来的铝合金汽车材料上占 有一席之地 3 然而铝合金却极难形成非晶 直到 1988 年日本的inoue 等首 次利用单辊旋淬法制备了铝基非晶合金 4 突破了铝合金难于形成非晶态的障 碍 制备非晶合金中的一个重要方法就是熔体溅射急冷法 它制备具有优异物 理 化学和力学性能的微晶 非晶及其它亚稳合金 极快的热量传输和流体流 动是这类制备工艺最显著的特征 在非晶合金形成过程中如何获得所要求的冷 却速度已成为制定工艺参数首先要考虑的问题 然而 由于合金凝固时间短 暂 熔池尺寸微小 使得利用试验方法直接测量温度场和速度场非常困难 尽 管已经采用热电偶法 5 红外高温计法 6 和红外热像法 7 测量了平面流铸造和 熔体溅射急冷过程中的温度场 但是目前可用的试验数据仍然很少 单辊甩带法制备非晶是一个涉及众多工艺参数的复杂过程 现在基本都是 1 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 通过试验来寻找到合适的工艺参数 无论人力 物力和时间上都消耗很大 随 着有限元法 有限体积法等计算方法以及计算机技术的发展 利用数值模拟技 术进行科学研究已经成为科学研究中重要的一部分 在过去几十年 随着计算 机技术的迅猛发展 计算机仿真技术不断完善并逐渐应用到现代工业生产的各 个领域 成为现代化工业生产的有力工具 近年来 人们对平面流铸造和熔体 溅射急冷过程中的温度场和速度场进行了数值计算 8 10 非晶材料优异性能和有限元仿真技术的发展成熟 使得采用数值手段研究 非晶制备成形规律有其现实意义 本课题通过数值方法研究非晶制备技术 采 用流体数值模拟专用软件 fluent 以及 ansys 有限元软件对 zl101 铝合金 的甩带以及凝固过程进行有限元仿真研究 探讨非晶制备中各工艺因素的影响 规律 1 1 2 研究的目的和意义研究的目的和意义 由于铝基非晶合金优异的性能 其良好的比强度和稳定性能特别适合于航 空航天领域 而且有望在未来的铝合金汽车材料上占有一席之地 11 13 因此对 铝基非晶合金的研究开发是非常有必要的 对铝基非晶态合金的拉伸性能的研 究 由于其块体试样难于制备 测试手段有限 各种试验数据差异很大 铝基 非晶态合金的制备与成形是其工程应用的难点 一旦其取得突破 将给结构材 料带来革命性的变化 14 极快的热量传输和流体流动是这类制备工艺最显著的特征 在非晶合金形 成过程中如何获得所需要的冷却速度已经成为制定工艺参数首要考虑的问题 然而 由于合金凝固时间短暂 熔池尺寸微小 使得利用试验方法直接测量温 度场和速度场非常困难 尽管已经采用热电偶法 红外高温计法和红外热像法 测量了平面流铸造和熔体溅射急冷过程中的温度场 但是目前可用的试验数据 仍然很少 虽然流动规律仍然满足质量守恒定律 动量守恒定律和能量守恒定 律 但因为流体的流动过程中发生了巨大的变形 使问题求解变得异常复杂 其控制方程属于非线性的偏微分方程 除几个简单问题之外 一般来说也很难 求得解析解 所以采用模拟方法 本文以 zl101 铝合金非晶甩带成形过程为例 采用计算机模拟仿真技术为 手段 研究各种制备工艺参数对非晶成形的影响 目的是获得各种工艺参数对 非晶甩带成形的影响规律 对铝基非晶态合金的深入研究还可以在方法上起到 辐射作用 可以应用到其它非晶制备工艺参数的选定中 可以在轻金属如 mg 2 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 基或者 ti co fe ni 等过渡金属基非晶合金中开发出新材料 具有很大 的参考意义 1 2 国内外研究现状国内外研究现状 1 2 1 非晶制备技术研究现状非晶制备技术研究现状 在非晶的制备研究方面 我国的研究工作起步较晚 美国 德国 日本都 先后投入巨资发展非晶材料及制品产业 在我国非晶材料应用有着广阔的市场 空间 国际上实力雄厚的生产企业正在将其发展重心转向中国 对我国非晶材 料的发展构成了极大挑战 1 因而我们更应该加快具有知识产权的非晶产品 的开发应用 铝基非晶作为新兴的工程材料 具有高强度低密度以及良好的高温性能和 超塑性 15 等优点 例如就其拉伸强度指标而言 al y ni al y co及al ni co y 分别达到1140mpa 970mpa和1280mpa 同时还具有良好的韧性 超塑性 16 及优异的耐蚀性 低的热膨胀系数 17 等优点 非晶态铝合金与目前研究开发应用的高比强度铝基材料相比 其比强度可 提高 2 4 倍 而部分晶化后纳米晶复合非晶态铝合金的强度可以与工程陶瓷相 媲美 18 inoue等的研究表明 al基非晶态合金或者具有纳米颗粒弥散在非晶基体 中的复合结构的al基合金具有相当高的拉伸强度 19 20 非晶态铝合金不仅其 力学性能有显著提高 且具有良好的抗腐蚀性和耐磨损性 研究人员最初发现 采用熔体旋淬法制备的al ni si 21 al m1 m2 22 al ln 23 al ln m1 24 m1 m2 分别为前过渡族金属和后过渡族金属 激冷态合金条带可以弯折 180 度而不断 并且具有良好的韧性 随后的研究表明 含 84at 86at al的 非晶合金 其拉伸强度可达 1000mpa以上 25 最高可达 1250mpa 26 因此引 起了人们广泛的关注 近年来发展十分迅速 大块非晶态合金铝系非晶合金的 强度与钢铁一样 故比强度极高 有望成为节能材料和宇航结构材料 27 由于 铝基合金与其它合金系相比 其非晶形成能力有限 属于marginal glass forming alloys 因此其形成目前仍限于熔体急冷 固相反应等方法 产品多 为薄带或粉体材料 块体材料的直接合成还很困难 这使铝基非晶合金很难在 工程上得到应用 28 1988 年日本的inoue 等首次利用单辊旋淬法制备了铝基 非晶合金 突破了铝合金难于形成非晶态的障碍 随着深过冷技术的发展 通 3 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 过抑制合金溶液中的异质形核来获得大的过冷度 使制备铝基非晶合金成为可 能 29 在 20 世纪 90 年代以前 由于人们还只能生产厚度为 20 30 微米的薄带金 属材料 其应用领域受到了很大的限制 20 世纪 90 年代初期 日本和美国相 继在世界上率先研制出三维尺寸都达到毫米至数厘米量级的金属玻璃 30 31 并 很快在许多领域获得了应用 近年来 人们发现利用快速凝固技术 可以制备 出含有总量约为 15 的过渡族元素和镧系元素的al基非晶薄带合金 这种al基 非晶合金的拉伸断裂强度大约是普通具有晶体结构的al基合金强度的 1 5 倍 32 34 近几十年来 随着人们对非晶态合金研究的不断深入 已经有大量的非晶 合金体系被开发出来 例如 nd fe b 35 co cr 36 ni p 37 fe si b 38 fe co cr 39 等 目前 铝基非晶态合金的研究主要集中在al ltm etm al re tm al re等二元或多元体系 re为稀土元素 tm为过渡族元素 ltm为周 期表中的 族和 族元素 etm为周期表中的 族至 族 40 41 利用铝基非晶态合金粉作为填加剂的高级涂料已经在德国获得广泛的应用 42 印度工学院的研究者们研究开发的al65cu35 xtix非晶合金已成功地用于飞 机制造行业 43 在八十年代末期和九十年代初期 人们发现经过特殊的成分设计 对于一 些多组元 大于或者等于五元 的合金系统 即使在冷却速率为 102k s量级的 条件下 用普通铸造方法也可以制备出尺寸在毫米量级的块体非晶合金 44 它 突破了只有在高速冷却 105 106k s 下才能制备具有金属玻璃结构的合金 如ln al tm 45 mg ln tm 46 zr ti tm be 47 pd cu ni p 48 fe al ga p c b si 49 等 这是非晶研究和新材料研究领域的一个重大突破 多年来 研究人员已经发展了几十种方法制备不同成分的非晶态合金 但 目前制备铝基非晶态合金主要采用激冷法和机械合金化法 铝基合金的非晶形 成能力有限 形成非晶的成分范围较窄 所以采用激冷法和机械合金化法制备 铝基非晶态合金时比其它合金 如磁性合金等 需要更大的冷却速度和更长的 合金化时间 近十几年来已经发展起来多种快速凝固方法 究其根源是为了获 得大的冷却速度 103 s 这就迫使材料至少在一个方向上尺寸很小 一 般小于 100 微米 由于这一条件的限制 快速凝固技术通常可分为三类 制 取条带材料及薄片材料 雾化法制取粉末 表面熔化以及强化法 已经报道的 铝基非晶态合金的制备工艺主要集中在前两种 50 4 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 2 2 非晶制备过程数值模拟技术研究现状非晶制备过程数值模拟技术研究现状 在非晶数值模拟的研究中 主要分为两个方向 一个是从非晶材料制备过 程中的微观角度进行模拟分析 研究合金内部组织结构变化 分子运动规律 等 大量的试验研究表明 固态金属材料的宏观性能主要是由其微观结构决定 的 而固态微观结构又是由其液态母体微观结构在凝固过程中不断转变得到 的 因此 如何测定并进而掌握这种微观结构在凝固过程中的变化规律 具有 重要的理论和实际意义 然而 在目前的试验条件下 对于液态金属凝固过程很难实现微观跟踪研 究 特别是在急冷过程中 这些微观结构如何进行转变的具体机制更难测定和 描述 随着计算机技术的发展 采用计算机模拟快速凝固过程 可以获得试验 上无法得到的微观结构演变信息 使材料设计和性能预测成为可能 这一研究 领域已经成为材料科学家的研究热点 理论计算方法发展迅速 如 能带结构 计算 分子团簇计算 原子间作用势 monte carlo法和分子动力学法 对分析 技术等 近几年已经取得重要进展 51 54 随着计算机技术的快速发展 已采用分子动力学方法对液态和非晶态金属 的微观结构进行模拟研究 55 60 刘让苏等人采用分子动力学方法研究了不同初 始条件对液态金属al凝固微观结构的影响 61 认为系统的初始条件即热历史不 仅能影响其固态微观机构 而且可用改变初始时间步的方法来控制这种影响的 程度 这将有可能为我们提供一种利用液态金属的热历史来改变金属材料的微 观结构和宏观性能的新途径 易双萍等人采用分子动力学方法对al原子在 943 350k温度区间的急冷过程进行了分子动力学模拟研究 并分析了模拟计算结果 的微观机理 62 发现凝固过程中以 1551 键型数目的变化最为显著 模拟结果 表明 随着温度降低 系统有序度增加 无序度下降 还有一些人也是从分子 动力学角度对合金液体快速凝固过程的进行了模拟研究 63 66 另一个方向就是从非晶制备过程中的宏观角度进行研究 对于非晶合金的 带材制备中 到目前有对非晶制备的辊轮温度场进行过模拟 分析了导辊的动 态温度场 辊为导辊冷却系统及其参数的优化设计提供了理论依据 67 在单 辊甩带法制备非晶合金的研究中 gutierrez等人根据润滑理论建立了低reynold 数pfms中流体力学模型 获得了熔池的温度场 但是pfms往往都是发生在高 reynold数范围内 所以其结果的适用性受到质疑 takeshita等人利用sola vof算法计算了偶合的动量和连续性方程 但没有涉及热量传输问题 5 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 matthys等人利用边界层理论同时计算了动量 质量和传热方程 并考虑了凝 固过程中固液界面上的能量守恒 然而由于忽略了流体沿垂直冷辊表面的压力 梯度 使得二维navier stokes方程中有一个方程不含有压力项 从而带来一定 偏差 金属所惠希东等人将二维navier stokes方程 连续方程与热传导方程相 偶合 并引入动力学粘度系数 建立单辊法制备非晶合金过程中的传热和流体 动力学模型 通过计算不同辊轮转速下fe78si9b b 12mo非晶合金的冷却速度 初 步探讨了流体流动对传热的影响 68 1 3 单辊甩带制备非晶合金法概述单辊甩带制备非晶合金法概述 1 3 1 非晶制备机理概述非晶制备机理概述 非晶制备过程的实质就是金属的快速凝固过程 通常以冷却速度来表征快 速冷却的程度 冷却速度在整个温度区域并不是定值 因此要选择合适的温度 范围 常采用凝固即将开始时刻的数值 或者固液相共存区域的平均值 特薄 压铸件的冷却速度可达 102k s 更高的冷却速度要采用特殊的快速凝固技术来 获得 在制备非晶过程中要采用非常高的冷却速度 因此要采用特殊的快速凝 固技术来获得 快速凝固过程的冷却速度可达到 106 109k s 快速冷却可以产生过冷 冷却速度越快 过冷度越大 从热力学角度看 过冷度越大 产生亚稳定相的可能性就越大 当然 过冷并非只能通过快速冷 却得到 通过抑制凝固过程的形核 也可以使合金熔液获得很大的过冷度 过 冷度越大 晶体的生长速度也越快 合金平衡凝固时 要通过扩散来实现溶质 的再分配 而当晶体成长速度增大后 溶质来不及移动 故不能实现平衡凝 固 快速凝固可以定义为 由液相到固相的相变过程进行得非常快 从而获得 普通铸件无法获得的成分 相结构和显微结构的过程 当过冷度极大时 结晶 过程将被完全抑制 从而获得非晶态固体 因此说 非晶态金属材料就是快速 凝固技术应用的一个实例 它不仅具有特殊的力学性能 同时还可以获得特殊 的物理和化学性能 如超导特性 软磁特性以及耐腐蚀特性 例如 非晶合金 取代硅钢片制作变压器可以使其内耗减小 解决变压器在特殊条件下使用时的 发热问题 非晶态金属材料已经成为材料科学研究的前沿领域之一 快速冷却的两种方式为 快速冷却法和深过冷法 也就是根据快速凝固的 实现条件 在凝固过程中 液相向固相的转变伴随着结晶潜热的释放 液相与 6 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 固相的降温也将释放出物理热 只有热量被及时导出才能维持凝固过程的进 行 实现快速凝固的条件 1 快速冷却 凝固速度是由凝固潜热以及物理热的导出速度来控制的 通过提高铸型的 导热能力 增大热流的导出速度可以使凝固界面快速推进 实现快速凝固 一 方面 选用导热率大的铸型材料或者对铸型强制冷却 可以降低铸型与铸件界 面温度 从而提高凝固速度 另一方面 凝固层内部热阻随凝固层厚度的增大 而迅速提高 导致凝固速度降低 在雾化法 单辊法 双辊法 旋转圆盘法以及纺线法等非晶微晶材料制备 过程中 试件的尺寸都很小 凝固层热阻可以忽略 即温度均匀 界面散热 成为主要控制环节 通过增大散热强度 使液态金属以极快的冷却速度降温 可实现快速凝固 2 深过冷 上述快速凝固方法是通过提高热流的导出速度而实现的 然而 由于试样 内部热阻的限制 快冷法只能在薄膜 细线以及小尺寸颗粒中实现 减少凝固 过程中的热流导出量是在大尺寸试件中实现快速凝固的唯一途径 通过抑制凝 固过程的形核 使合金熔液获得很大的过冷度 从而凝固过程释放的潜热 h 被过冷熔体吸收 可大大减少凝固过程中要导出的热量 获得很大的凝固速 度 过冷度为 hs 的熔体在凝固过程中导出的实际潜热 h 可表示为 h h hs 因此 增大过冷度就会降低所需要导出的实际潜热 从而增大凝固速 度 深过冷快速凝固主要见于液相微粒的雾化法和经过净化处理的大体积液态 金属的快速凝固 1 3 2 单辊甩带法概述单辊甩带法概述 单辊法又称为熔体甩出法 它是采用高速旋转的激冷圆辊将合金熔液流铺 展成液膜并在激冷作用下实现快速凝固的方法 根据熔融合金熔液引入方式的 不同 可以分为自由喷射甩出法和平流铸造法 其原理如图 1 1 所示 两者的区别在于前者合金熔液的喷嘴离单辊距离较远 合金熔液通过喷枪 喷射到高速旋转的激冷辊上 形成薄膜并发生快速凝固 而后者合金熔液的出 口离单辊的距离很近 在单辊和喷嘴之间形成一个熔池 该熔池对合金熔液流 有缓冲作用 从而可以获得更加均匀的薄膜 以上两种方法均在合金熔液被拉 成膜后 随激冷辊旋转一定的角度进一步冷却并凝固 最后与其分离 进入收 7 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 集器或者缠绕成卷 获得一定宽度的带材 1 2 图 1 1 单辊法快速凝固原理图 fig 1 1 schematic diagram of melt spinning 1 自由喷射甩出 fjms 法 2 平流铸造 pfc 法 1 激冷辊 2 感应加热器 3 排气阀 4 压力表 5 带材 6 喷嘴 7 合金液 8 激冷基底 单辊表面 单辊表面线速度一般为 10 60m s 其中以 20 30m s居多 冷却速度为 104 107k s 制得薄带的厚度为 10 100 m 单辊法的液膜形成过程可分为热量传输控制和动量传输控制两种类型 它 是根据合金熔池中热传输和动量传输的相对重要性定义的 如果合金带从熔池 中拉出来时已经发生凝固 凝固层的厚度决定着带材的厚度 则认为该过程是 由热传输控制的 相反 如果合金带从熔池中拉出来时仍为液相 液膜的拉出 过程及厚度由熔池中合金熔液的动量传输过程控制 则认为该过程是由动量传 输控制的 热传输过程的单辊法带材成形过程的抽象模型如图 1 2 所示 旋转单辊上的任意一点一旦与合金熔液接触即在其表面发生凝固 凝固层 逐渐增厚 在其脱离熔池时凝固层的厚度已经达到一定值ym 此时固液分离 ym即为最终获得的带材厚度 设熔池与单辊接触的长度为xd 则液膜凝固过程 的热平衡条件为 8 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 d mrmm x ttyhc t r 1 1 式中 单辊与合金熔液的界面热导率 w m tm 合金熔液温度 tm 合金熔液过热度 tr 单辊表面温度 旋转角速度 r min r 单辊的半径 m c 合金质量热容 j kg h 结晶潜热 j 当快速凝固形成非晶合金时 h 0 图 1 2 单辊法带材成形过程的抽象模型 fig 1 2 abstract model of the splat cooling of single roll molten 1 固液界面 2 固相 3 带材 4 液相 5 喷嘴 6 熔池 7 坩埚 8 单辊表面 凝固时间可由 d xr 求得 带材厚度计算公式为 mrd m m tt x y rhc t 1 2 的取值是解决该计算问题的关键 它通常是通过大量的试验获得的 熔 区宽度 单辊速度 合金熔液过热度 界面张力等都对 的取值具有重要的影 响 动量传输过程的单辊表面液膜带材形成过程如图 1 3 所示 由于单辊直径 相对于液膜的厚度非常大 可以忽略单辊表面的曲率 而视其为平面运动 单 辊将其运动的动量传输到合金熔液中形成流动边界层 将流速达到单辊表面运 动速度 v 为 1 的边界定义为层流边界 与熔池后缘的交点定义为液膜与熔池 的分离点 9 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图 1 3 单辊表面液膜形成过程图 fig 1 3 the formation of liquid film from the surface of single roll 1 单辊表面 2 自由表面 3 熔池 4 流速 u为 1 的边界液膜形成后 其上部的合金熔液流速依然很低 仍在不断 被加速 同时液膜被拉薄 用u表示液膜的水平速度 则根据流体力学的连续 方程导出 0 m y y u x y d 常数 1 3 式中 y 液膜厚度 图 1 4 冷却辊表面液膜中的二维模型 fig 1 4 two dimension model of liquid film from cooling roll 合金熔液流速与基板 单辊 速度比 当动量传输控制的单辊表面液膜的水平速度达到与单辊的表面速度同步 时 液膜的厚度固定下来不再变化 从而根据式 1 1 及液膜与熔池分离时 的速度分布 可以算出液膜的厚度 在实际工艺过程中 需要不断向熔池中补 充合金熔液 除了液相的水平运动外 存在着液相在 y 方向的流动 是一个二 维流动问题 如图 1 4 所示 10 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 单辊法中当薄带宽度小于 5mm 时采用圆孔喷嘴 更宽时采用狭缝喷嘴 单辊法快速凝固过程的原理非常简单 其传热过程也不复杂 但在实施中存在 一些较难解决的技术问题 主要是 1 单辊需要以 2000 10000r min 的高速度旋转 同时要保证单辊的转速 均匀性很高 径向跳动非常小 以控制薄膜的均匀性 2 为了防止合金熔液的氧化 整个快速凝固过程要在真空或者保护气氛 下进行 3 为了获得较宽并且均匀的非晶合金带材 液流必须在单辊上均匀成 膜 液流出口的设计以及流速的控制精度要求非常高 图 1 5 为美国 allied signal 公司采用单辊法生产非晶合金带材的示意图 图 1 5 非晶合金带材生产线示意图 fig 1 5 diagrammatic sketch of amorphous ribbons production line 1 4 主要研究内容主要研究内容 本文在总结前人工作的基础上 论述了非晶形成过程的基本理论 并利用 流体模拟软件 fluent 和有限元分析软件 ansys 对非晶制备过程中的各个工 艺参数进行了模拟研究 本文的主要研究内容有 1 研究在熔体喷射甩带过程中喷嘴尺寸 喷射距离 喷射压力对 zl101 非晶合金制备的影响 2 研究辊轮转过圈数 辊轮转速 辊轮半径 辊轮宽度 带材厚度对辊 轮温度场分布的影响 3 研究合金过热度 辊轮温度 辊轮半径 辊轮宽度 辊轮转速对非晶 制备的影响 11 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第第2章 合金熔体在甩带过程中的模拟分析章 合金熔体在甩带过程中的模拟分析 2 1 引言引言 在单辊甩带过程中 合金熔体完全凝固前处于流动状态 就是说合金熔体 是流体 只是在接触冷却辊轮后黏度迅速增大并凝固成固体 甩带过程也是一 个合金液喷射冲击以及冷却凝固的过程 在非晶材料的制备过程中 喷嘴的尺 寸 喷射压力 喷射距离等工艺参数都对合金液体的甩带过程产生影响 因此 需要研究这些工艺参数的影响规律 本文利用 fluent 流体软件进行模拟 研究各个工艺因素对非晶甩带过程的影响规律 2 2 fluent 软件算法实现软件算法实现 有限体积法是目前 cfd 领域广泛使用的离散化方法 其特点不仅表现在 对控制方程的离散结果上 还表现在所使用的网格上 有限体积法又称为控制 体积法 其基本思路是 将计算区域划分为网格 并使每个网格点周围有一个 互不重复的控制体积 将待解微分方程 控制方程 对每一个控制体积积分 从而得出一组离散方程 其中的未知数是网格点上的因变量 为了求出控制 方程的体积积分 必须假定 值在网格点之间的变化规律 从积分区域的选 取方法看来 有限体积法属于加权余量法中的子域法 从未知解的近似方法看 来 有限体积法属于采用局部近似的离散方法 简言之 子域法加离散 就是 有限体积法的基本方法 有限体积法的基本思想易于理解 并能得出直接的物理解释 离散方程的 物理意义 就是因变量 在有限大小的控制体积中的守恒原理 如同微分方 程表示因变量在有限小的控制体积中的守恒原理一样 有限体积法求出的离散方程 要求因变量的积分守恒对任意一组控制体积 都得到满足 对整个计算区域 自然也都得到满足 而有一些离散方法 例如 有限差分法 仅当网格极其细密时 离散方程才满足积分守恒 而有限体积法 即使在粗网格情况下 也显示出准确的积分守恒 就离散方法而言 有限体积法可视作有限元法和有限差分法的中间物 有 限元法必须假定 值在网格节点之间的变化规律 即插值函数 并将其作为 12 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 近似解 有限差分法只考虑网格节点上 的数值而不考虑 值在网格节点之 间如何变化 有限体积法只寻求 的节点值 这与有限差分法相类似 但有 限体积法在寻求控制体积的积分时 必须假定 值在网格点之间的分布 这 又与有限元法相类似 在有限体积法中 插值函数只用于计算控制体积的积 分 得出离散方程之后 便可忘掉插值函数 如果需要的话 可以对微分方程 中不同的项采取不同的插值函数 fluent 软件模拟流体流动也要受物理守恒定律的支配 基本的守恒定律 包括 质量守恒定律 动量守恒定律 能量守恒定律 如果流动包含不同成分 组元 的混合或相互作用 系统还要遵守组分守恒定律 如果流动处于湍流 状态 系统还要遵守附加的湍流输运方程 控制方程 governing equations 是 这些守恒定律的数学描述 1 质量守恒方程 任何流动问题都必须满足质量守恒定律 该定律可表述为 单位时间内流 体微元体中质量的增加 等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量 按照这 一定律 可以得到质量守恒方程 mass conservation equation 0 uvw txyz 2 1 2 动量守恒方程 动量守恒定律是任何流动系统都必须满足的基本定律 该定律可表述为 微元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之 和 该定律实际上是牛顿第二定律 按照这一定律 可导出 x y z 三个方向 的动量守恒方程 momentum conservation equation uuuuvu txyz w u uuup s xxyyzzx 2 2a vvuvvv txyz w v vvvp s xxyyzzy 2 2b wwuwvw txyz w 13 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 w wwwp s xxyyzzz 2 2c 3 能量守恒方程 能量守恒定律是包含有热交换的流动系统必须满足的基本定律 该定律可 表述为 微元体中能量的增加率等于进入微元体的净热量加上体力与面力对微 元体所做的功 该定律实际是热力学第一定律 我们可以得到以温度 t 为变量 的能量守恒方程 energy conservation equation tutvtw txyz t t ppp ktktkt s x cxy cyz cz 2 2 2 3 试验设计与数值模型的建立试验设计与数值模型的建立 2 3 1 试验设计方案试验设计方案 模拟非晶甩带过程中的喷射压力 喷嘴尺寸 喷射距离对合金甩带的影响 情况 在模拟分析过程中 只改变要研究的工艺参数值 其它工艺参数固定不 变 这样更有利于研究某个工艺参数的影响规律 本文在模拟中采用的分析材料为 zl101 铸铝合金 其性能参数如表 2 1 以 及表 2 3 所示 冷却辊材料如表 2 2 所示 表 2 1 zl101 合金黏度数值 70 table 2 1 viscosity of zl101 alloys 合金温度 700 615 614 9 600 577 01 576 90 合金黏度 kg m s 0 0010 0 00118 0 003 0 5 2 5 表 2 2 模拟所需的铜的材料有关数据 table 2 2 data of copper alloy required in the simulation 弹性模量 pa 密度 kg m3 导热系数 w m 线胀系数 l 比热容 j kg 1 17e11 8930 398 1 66e 5 385 14 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 表 2 3 模拟所需的铝合金 zl101 有关数据 69 table 2 3 data of aluminum alloy required in the simulation 温度 t 密度 kg m3 比热容 c j kg 导热系数 k w m 热焓 h 109j 固 相 含 量 vs 20 00 2675 8 913 68 153 90 0 91 1 100 00 2659 2 950 00 157 10 1 10 1 200 00 2638 4 995 40 161 10 1 35 1 300 00 2617 6 1040 80 165 10 1 60 1 400 00 2596 8 1086 20 169 10 1 87 1 500 00 2576 0 1131 60 173 10 2 14 1 576 90 2560 0 1166 51 176 18 2 33 1 577 01 2524 6 1153 40 127 03 2 94 0 489 600 00 2506 5 1153 40 110 10 3 15 0 31 614 90 2480 8 1153 40 80 20 3 52 0 002 615 00 2480 7 1153 40 80 00 3 52 0 700 00 2458 3 1153 40 80 00 3 73 0 注 上表中热焓是指相对于绝对温度 0k 1 m3物质中所含的数值 根据研究内容的需要 模拟试验的设计如表 2 4 2 5 2 6 所示 表 2 4 喷射压力模拟试验设计 table 2 4 simulation experiment design of nozzle pressure 喷射压力 mpa 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 喷嘴宽度 mm 2 喷射温度 700 喷射距离 mm 3 表 2 5 喷射距离模拟试验设计 table 2 5 simulation experiment design of ejecting distance 喷射距离 mm 2 3 4 5 6 喷嘴宽度 mm 2 喷射温度 700 喷射压力 mpa 0 04 表 2 6 喷嘴尺寸模拟试验设计 table 2 6 experiment design of nozzle dimension 喷嘴宽度 mm 1 1 5 2 2 5 3 喷射距离 mm 3 喷射温度 700 喷射压力 mpa 0 05 2 3 2 数值模型建立数值模型建立 模拟方口形状喷嘴的喷射情况 因此在喷嘴平行于辊轮方向的各个参数可 以看作近似相等 为了保证精度和计算结果的稳定性 采用二维模型进行计 算 选取喷嘴长度为 10 毫米 喷嘴两侧空间各为 6 毫米 在 fluent 软件自 15 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 带的绘图程序 gambit 中绘制结构图 在 fluent 计算分析界面进行参数设 计与计算 2 4 试验结果与分析试验结果与分析 2 4 1 喷射压力对合金液体甩带过程影响的结果与分析喷射压力对合金液体甩带过程影响的结果与分析 根据模拟结果可以得到不同喷射压力下的喷嘴横截面上平均喷射速度 如 表 2 7 所示 根据表 2 7 可以绘制出合金喷射速度与喷射压力的关系曲线 如 图 2 1 所示 从图中看到 合金熔体的平均喷射速度与喷射压力是成正比关系 的 合金熔体的平均喷射速度随着喷射压力的增大而成直线性增大 表 2 7 不同喷射压力下的喷射速度 table 2 7 jet velocity of different pressure 合金喷射压力 mpa 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 08 喷射速度 m s 0 6 0 725 0 85 0 95 1 125 1 25 0 030 040 050 060 070 08 30 35 40 45 50 55 60 65 70 带体厚度 m 喷射压力 mpa 图 2 1 喷射速度与喷射压力的关系 fig 2 1 the rel