【精品完整版】机械搅拌制备SiCp颗粒增强复合材料的数值模拟

1、吉林大学2013级硕士毕业论文开题报告论文题目：机械搅拌制备 SiCp颗粒增强复合材料的数值模拟姓 名： 闫禹伯 专 业：材料加工工程学 号：2013432109 指导教师：王金国（教授）吉林大学2015年3月12日吉林大学硕士毕业论文开题报告1选题意义金属基复合材料具有高的比强度和较好的耐腐蚀性能，其在工业领域有着非常广泛的应用。金属基复合材料同时具有很好的可设计性， 通过改变增强体的类 型、表面状态、体积分数以及基体材料，使复合材料达到相关的要求。制约金属 基复合材料广泛应用的一个重要因素就是其高昂的制备成本。制备金属基复合材料的目标就是充分结合金属与陶瓷二者的优良的性能，通过添加高强度、

2、高弹性模量的颗粒到韧性的金属基体中以获得一个力学性能介于 增强体与基体之间的复合材料。金属具有很多优良的性能，如高强度，良好的延 展性，但其刚度较低，而陶瓷虽很脆，但其具有高的比强度和刚度。例如， SiC 颗粒的强度为600MPa,杨氏模量为350 500GPa,铸态的2014铝合金强度仅 为200MPa,杨氏模量为72.4GPQ而由二者复合而成的10 vol.% SiC/2014复合 材料的强度能达到569.7MPa,杨氏模量也能达到120.9GP1-3，经过复合后，材 料的力学性能有了显著的提高。颗粒增强金属基复合材料的主要制备工艺有粉末冶金、挤压铸造、搅拌铸造、 高能球磨法和高能超声复合

3、法等工艺4, 5。根据制备方法的不同，所制备出的复 合材料中颗粒的分散性及颗粒与基体之间的界面情况也不一样。每种制备工艺都想要尽可能地获得颗粒分布均匀且与基体结合良好的复合材料5 o这些制备工艺各有所长，也各有所短。实际应用中，可以根据需要来选择更合适的制备工艺。粉末冶金法的优点是没有界面反应的存在，可以用来制备高体积分数的复合 材料。同时，基体可以选用任何合金，增强体也可以使用几乎所有种类的增强相。 其存在的问题就是成本高，一般需要二次成型，且工艺程序复杂。挤压铸造法（也称浸渗法）可制备出形状与最终制品相似甚至相同的产品。由于其冷却速度快，故可降低及至消除界面反应，且增强相的体积分数可在较大

4、范围内变动。其缺点是不易制备形状复杂的产品，且对增强体颗粒损害较为严重。高能超声复合法利用声流效应及空化效应打散成团的颗粒，进而促进颗粒在金属熔体内的均匀分布。高能超声兼具有除气、除渣的作用。但超声工具头的工作温度范围一般 在600750C之间，因而一般只适用于熔点相对较低的铝（镁）基金属复合材料的制备。另外超声工具头易被金属熔体腐蚀，给所制备复合材料添加了杂质成分 。喷射沉积法能有效地控制基体与增强体的界面反应，材料夹杂物含量少，是 一种值得大为推广的制备复合材料的方法，但其工艺还有待于完善，且不能制备高体积分数的复合材料9。高能球磨法将增强颗粒均匀分散到基体合金粉末中， 能使合金粉末成分更

5、加均匀且获得较为细小的晶粒组织。其具有工艺简单、易于批量生产的优点10, 11。机械搅拌制备颗粒增强金属基复合材料由于其简便、灵活，而被广泛应用。 它是所有制备颗粒增强金属基复合材料中最经济节省的方法，且能用于制备大体 积大尺寸的铸件12 o Skibo等13曾报道过，采用铸造方法制备复合材料的成本是 其它具有竞争力方法的33%50%左右。对于高体积分数的复合材料来说，这一 比例下降到约十分之一。加拿大和美国在机械搅拌制备金属基复合材料方面的研究比较成熟， 并在航 空航天、汽车等领域得到了相应的应用。 Cercast公司生产的SiCp/A357复合材 料已经应用于飞机摄像镜方向架上；俄罗斯航空

6、航天总部成功地将SiCp/Al复合 材料应用在飞机起落架、翼前缘加强筋上。在汽车方面， Alcan公司于1995年 生产的SiCp/Al复合材料汽车刹车片，在丰田汽车中得以使用。虽然我国早在九十年代就已经开始了这方面的研究，并取得了一定的成果，但是所制备出的材料的物理性能与其它国家相比还有较大的差距，还难以进行大规模的应用和生产。要推广其应用，关于复合材料的制备及成型工艺还需要做大 量的研究14 o机械搅拌制备SiCp/Al存在的主要问题有，SiC颗粒的团聚、重力沉降，界 面反应较严重，制备出的复合材料气孔率较高等问题。这其中，SiC颗粒在复合材料中分布的均匀性有着至关重要的影响。颗粒的 分散

7、主要是通过搅拌槽内的搅拌来实现的，合适的搅拌桨及搅拌工艺直接影响着颗粒的均匀性。虽然搅拌混合技术是一个非常古老常见的操作，但由于搅拌槽内 流动情况的复杂性，机械搅拌过程中搅拌桨的设计还主要凭借经验，缺乏系统性的研究。而计算机流体动力学的诞生极大地促进了搅拌过程中的研究。它可以模拟不同搅拌桨形式，不同浸入深度，不同安装方式等等条件下，搅拌槽内流场的 分布及其对颗粒分散的影响。而且这些影响的结果都是可视化的， 可以很好地指 导搅拌桨的优化设计，确定合适的搅拌工艺。2.研究现状搅拌铸造法制备金属基复合材料已经有了四十余年的历史，由于其具有设备简单，生产效率高，应用广泛等优点而被越来越多的关注，搅拌铸

8、造法是将增强体加入到液态或半固态的合金中，利用高速旋转的搅拌桨搅动合金液产生的漩涡 将加入的增强体不断卷入，从而达到均匀混合和相互浸润的目的，使颗粒均匀分布在熔体中，然后浇铸成铸件、锭坯等。搅拌铸造法的制备成本非常低廉，仅为 其他成本的三分之一至十分之一左右15，是最有可能实现工业规模化生产颗粒 增强金属基复合材料的制备方法。搅拌铸造根据搅拌过程中金属的存在形态可以分为液态搅拌，半固态搅拌和 复合搅拌三种工艺形式。搅拌温度在合金液的液相线以上，搅拌结束后浇注的搅 拌工艺为液态搅拌工艺；当熔化的合金冷却到半固态区间时才开始加入增强体进 行搅拌，增强体搅拌均匀后直接进行浇注的搅拌工艺称为半固态搅拌

9、工艺；在合金液的半固态区间将增强体搅拌均匀后，继续升温搅拌到液相线以上进行才进行 浇注的搅拌工艺成为复合搅拌工艺。研究表明在复合材料中采用复合搅拌铸造工 艺能够改善增强体分布和降低材料内部气孔含量 0国内很多大学和科研单位的研究者都在不断对搅拌铸造工艺流程、工艺参数和实验设备进行试验和优化，来解决搅拌铸造法制备颗粒增强铝基复合材料中存 在的问题17,18。曾国勋等19采用液相线以上温度的搅拌工艺制备了SiCp/AI复合材料，发现SiC和基体界面结合是良好的冶金结合。齐海波等20在非真空条 件下通过对半固态搅拌熔炼-液态模锻工艺参数的优化，制备出的 SiC颗粒增强 铝基复合材料中颗粒分布均匀，基本消除了气孔、缩松等铸造缺陷，其拉伸屈服 强度比基体铝合金提高了 17%，但延伸率明显降低，耐磨性有一定程度的增加。 袁广江21等采用真空搅拌铸造法制备了体积分