FOUNDRV
试验研究
Vol.69 No.3 2020
SiC颗粒增强铝基复合材料搅拌铸造过程
数值模拟
毛安南1’2,顿亚鹏1,林锦明3,杨伟1,杜安栋3,张获1
(1.湖北汽车工业学院，湖北十堰442002; 2.东风康明斯发动机有限公司，湖北襄阳441000;
3.机械科学研究总院海西（福建）分院有限公司，福建沙县365500 )
摘要：使用Fluent软件对不同搅拌器形成的速度场、压力场和湍流动能进行数值模拟，并结合 显微组织分析，比较了四叶直单桨、三叶螺旋单桨和双极螺旋单桨的速度场分布、压力场结 构和湍流动能大小，以及其对SiC于熔体中分散的影响。结果表明：双极螺旋单桨形成的速度 场中有轴向漩涡和径向循环，同时压力场中形成较大的负压通道利于颗粒进入熔体，湍流动 能也大于两种单桨的湍流动能，带动更大范围的熔体运动，利于颗粒分散。通过显微组织观
察，四叶直单桨没能形成良好的负压通道，颗粒未能充分进入熔体，三叶螺旋单桨搅拌形成 的复合材料存在颗粒团聚现象，双极螺旋搅拌流场中轴向和径向速度都较大，压力场中形成 较大的负压通道，搅拌范围广，形成颗粒分布较均匀的复合材料。关键词：搅拌铸造；复合材料；流场；显微组织
SiC增强铝基复合材料具有较好的强度、良好的耐热性、小的热膨胀系数和较好
的耐磨性，已在较多领域（如汽车、矿产加工和航空）得到应用〜1。目前SiC增强铝 基复合材料制备方法有搅拌铸造法、喷射沉积法、粉末冶金法和压力浸渗法等。在 众多方法中搅拌铸造法制作成本低、工艺流程短且颗粒尺寸适应广，适合规模化制
作者简介：
备。但搅拌铸造法中液态搅拌存在颗粒与铝液体润湿性差，颗粒进入铝液较困难； 毛安南( 1997-),男，学士, 半固态搅拌法可以克服颗粒与铝液润湿性差，易制备出颗粒均匀分布的复合材料， 研究方向为材料成形及控
制。E-mail:丨0丨0584612@
但复合材料流动性较液态搅拌法差，颗粒的团聚还会降低熔体流动性，颗粒与半固
qq.com
态铝液形成的复合材料熔体流动行为复杂P’1,故SC增强铝基复合材料熔体的流动行 通讯作者：
为成为制备出颗粒均匀分布在铝基体中的关键因素。
顿亚鹏，男，实验师。E-mail：
郝世明m采用液态搅拌铸造工艺制备了不同体积分数的SiC增强铝基复合材 sdrdyp@126.com
料，颗粒分布均匀，增加了复合材料中的位错密度，SiC起到良好的支撑作用，材 料耐磨性能优良。张桢林|61采用双级搅拌铸造制备了体积分数为20%的复合材料， 中图分类号：TG172 在转速800 r/min和搅拌时间20 min条件下SiC分布均匀性最佳，Yun-hui Dum针对
文献标识码：A
文章编号：丨001-4977 (2020)
Ai-4.25vol.%SiC复合材料采用电磁机械搅拌制备，在620 T：下，以300 r/min和
03-0228-05
600 r/min的速度进行电磁-机械搅拌铸造，获得含有均匀分布的SiC颗粒的复合材料。
当前研究对复合材料流动性对颗粒分布影响研究较少，本课题采用数值模拟和 基金项目：
试验研究结合的方法，对复合搅拌器的流场特征和速度场进行数值模拟研究，在此 国家科技重大专项资助项
基础上采用搅拌铸造工艺制备颗粒分布均匀的复合材料，以期为新型搅拌器的结构 目（2019ZX04002030 );
十堰市级引导性科研项目 设计提供参考。
(I9YI25);湖北文化创 意产业化设计研究中心开 放基金（1复合材料流场数值模拟
HBCY1911 )。 收稿曰期：
1.1几何建模
2019-07-22收到初稿， 图丨为通过SolidWorks设计的三种揽拌桨的三维模型，搅拌桨离底高度为30 mm, 2019-12-17收到修订稿。
坩埚内径为130 mm,高度为200 mm,坩埚内铝液高度为100 mm。熔融的铝液为高温
2020年第3期/第69卷
试验研究 FOUNDRV
mm
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并且不透明熔体，通过CFD软件可模拟显示出其速度 场、压力场等，间接指导搅拌桨搅拌过程中熔体发生 的剪切过程，能够有助于搅拌器的设计和优化。将模 型导入1CEM CFD软件，采用四面立方进行网格划分， 网格总数量为139 378,为四面体网格。三叶螺旋单桨 和四叶直桨叶片的水平夹角分别为60°和45° ,三叶双 桨两桨距离为35 mm。选用材料为A357fg合金，热物 理性能从软件数据库获取，SiCp A357复合材料密度为 2 630 kg • m'\\粘度为1.6 mPa _ s ,并且将}觉伴奖设定 为Wall,速度为700 rpm。坩埚其他区域设定为定区域[81, 揽拌桨附近流体设定为运动区，通过将搅拌桨Wall设定 (a)四叶直桨（b)飞叶螺旋单桨（c)双级飞叶螺旋楽
转动速度，用不可穿透的Wall带动流体产生流场，将 图1揽拌桨三维建模及网格划分
戈吩和设定好的mesh文件导入Fluent软件，流体模型设 Fig. I Three-dimensional modeling and mesh generation of
定为湍流模型的k-epsilon ,熔体视为不可压缩的牛顿流 stirring propeller
体，假设流场为稳态的完全湍流。
中在搅拌桨端部和搅拌杆附近，搅拌桨上方为最大速 12速度场分析
度，其余位置的流场速度较慢，特别是中心底部的流 图2是三种不同搅拌桨产生流场的速度矢量图。三 场和坩埚壁处，导致此处颗粒不能充分进入熔体。
种揽伴桨直径为68 mm,底高为30 mm,揽拌奖转动速 图2b所示，三叶螺旋桨较四叶直桨，最大速度从 度为700 rpm。分析速度矢量图可以得到不同搅拌桨形 1.74m/s至I」达了2.14m/s。由于斜度方向不同，环流方向 成流场中速度大小，方向和范围也均有不同。
从逆时针变为顺时针，存在轴向涡流。搅拌桨的下方 如图2a所示，流体速度方向沿搅拌杆从上向下， 流场速度最大，三叶螺旋桨底部的流场存在循环流， 流场中最大速度形成在搅拌桨上方，这是由于搅拌桨 通过搅拌桨，底部的熔体被吸引进入上方的循环， 有45°的斜度，在揽拌桨端部形成循环流，坩埚底部熔 同时增大了循环速度，不仅提高了对碳化硅的搅拌效 体被流场提升向上运动，上部熔体受流场作用向坩埚 率，同时增大了揽拌范围。
壁处运动，碰撞坩埚壁后向下运动。速度大的范围集
如图2c所示，双级三叶螺旋桨带动更大范围的熔
>四叶直菜
图2 不同搅拌桨的速度矢量 Fiu. 2 Velocity vectors of different agitators 230 mm FOUNDRV 试验研究 Vol.69 No.3 2020 体运动，流体速度都增大，桨间存在轴向涡流。底邰 溶体受搅拌桨作用向上部流动，上下部在轴向方向循环流动。 1.3压力场分析 双桨在搅拌的时候，熔体的湍流作用围绕搅拌桨，在 相同搅拌速度下传递给熔体的能量更大。对比另外两 种单桨，能带动更大范围的熔体运动，搅拌桨做的功 能更多地传递给熔体，即提高碳化硅的分散均匀性。 搅拌过程产生压力差继而产生剪切力，影响碳化 石圭均匀分布。模拟的压力场分布图，可以侧面体现不 同搅拌桨的工作效率。图3为压力场，可见四叶直桨负 压通道不明显，三叶螺旋单桨的垂直负压范围要大于 四叶直桨，特別是搅拌桨上方和正下方区域。其垂直 方向上方负压有利于SiC颗粒从液面顺负压通道进入 溶体，强于直桨。而下方负压，对于铝液下方流体具 有强烈吸引，可形成循环，防止碳化硅下沉。从图3c 中看到压力明显增大，范围较三叶单桨和四叶单桨较 广，这是双桨疊加的效果，对熔体的流动控制更强。 从径向图中可以看到，坩埚壁附近为正压，这有利于 2搅拌铸造试验与分析 依据模拟时采用的工艺参数，SiC颗粒经过酸洗后 粒度分布相对均匀，平均尺寸为10 pm (图5a)。Sic 颗粒在基体中的体积分数为10% ,金属基体采用A357 铝合金。搅拌温度为600 质，干燥后于1 200 搅拌速度为700 rpm, }觉 拌时间为40 min。利用5%_氢氟酸溶液，清洗SiC去除杂 高温氧化，表面高温氧化成SiO: 以增加润湿性SiC颗粒在1 200 T；氧化4 h能够使 5幻2层厚达到25 nm (图5b )。 采用四叶直式桨、三叶螺旋式桨和双级三叶螺旋 式桨，在最优工艺参数下进行搅拌铸造，将试样处理 后，通过金相显微镜观察微观组织。图6a为四叶单桨 搅拌铸造后的显微组织和铸锭的切割宏观断面，由于 在搅拌过程中速度小，压力场中产生的负压通道小， 导致SiC进入熔体的量很少，大部分漂浮在熔体上，从 宏观断面观察SiC颗粒较少，未能制备出颗粒均匀分散 的复合材料，图6b为三叶单级螺旋单桨搅拌铸造后的 显微组织和铸锭的切割宏观断面，搅拌过程中熔体速 度大于四叶单桨，压力场中形成了明显的负压通道， 能够使熔体上部颗粒由负压通道进入熔体，在轴向与 径向流体循环中分散，从显微组织中观察，颗粒分散 程度小，宏观断面观察SiC颗粒不均匀且存在团聚现 SC颗粒在坩埚壁处的均匀分散。 1.4湍流动能分析对比 湍流动能是衡量湍流混合能力强弱的重要指标。 瑞流动能反应搅拌桨机械做功使熔体产生湍流强度和 范围大小。图4为流动能分布，可以看出直桨湍流动能 在流场中分布不均匀，靠近搅拌桨附近的流体湍流动 能大，靠坩埚壁侧的湍流动能小。在三叶螺旋桨中湍 流动能有了提升（图4b),湍流动能水平范围更广， 覆盖到了坩埚壁侧。双级三叶螺旋式桨中湍流作用范 围和能量均大于两种单桨（图4c)。通过模拟，得到 (a)四叶直桨 图3 （b> 叶螺旋单桨 （c)双级二叶螺旋式奖 不同搅拌桨形成的压力场 Fig. 3 Pressure fields formed by different agitators 2020年第3期/第69卷 试验研究FOUNDRV 象。图6c为双极螺旋搅拌铸造后的显微组织和铸锭的 切割宏观断面图，流场中轴向和径向速度都较大，压 力场中形成较大的负压通道，搅拌范围广，同时搅拌 器传递给熔体的能量较多，使SiC具备足够能量进入熔 体，从宏观断面观察SiC颗粒分布较为均匀，无团聚现 象，形成颗粒较为均匀分布的复合材料。 (a >四叶K桨 图4 (b) •:叶螺旋单桨 不同搅拌桨形成的湍流动能 （c )双级•:叶螺旋式楽 Fig. 4 Turbulent kinetic energy generated by different agitators (a )氣化前 图5 SiC高温氣化前后的微观形貌 （b )氧化后 Fig. 5 Micro-morphology of SiCp before and after high temperature oxidation (a )叫叶直桨 图6 (b) •:叶螺旋单桨 搅拌后显微组织与宏观形貌 （c )双级叶螺旋式桨 Fig. 6 Microstructure and macromorphology of four-bladcd paddle, three-bladed propeller and double stage three-bladed screw propeller after stirring casting 232 FOUNDRV 试验研究 Vol.69 No.3 2020 3结论 (I)采用计算流体力学模拟了不同搅拌桨在熔体 碳化桂的分散均匀性。 (2)四叶单桨搅拌流场中速度小，压力场中产 生的负压通道小，导致SiC进入熔体的量很少，大部分 漂浮在熔体上面，未能制备出颗粒均匀分散的复合材 料。三叶单级螺旋单桨压力场中形成了明显的负压通 道，能够使熔体上部颗粒由负压通道进入熔体，但存 在团聚现象。双极螺旋搅拌形成的，流场中轴向和径 向速度都较大，压力场中形成较大的负压通道，搅拌 范围广，形成颗粒较为均匀分布的复合材料。 搅拌形成的速度场、压力场和湍流动能，双极螺旋搅 拌桨形成流场中存在轴向漩涡，对底部颗粒有提升作 用，促进颗粒分散，径向速度明显高于三叶、四叶单 桨，使熔体在径向方向能够充分流动和混合；压力场 中形成明显的负压通道利于上部颗粒进入熔体参与流 动；相同搅拌速度下湍流动能较大，搅拌桨做的功能 更多的传递给熔体，带动更大范围的熔体运动，提高 参考文献: [1 ] YE T K, XU Y X, REN J. 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The results show that there are axial vortex and radial circulation in the velocity field formed by the bipolar spiral single propeller, and the larger negative pressure channel formed in the pressure field is conducive to the particles entering the melt, and the turbulent kinetic energy is also larger than the turbulent kinetic energy of the two single propeller, which drives the melt to move in a larger range and facilitates the particles to disperse. Through microscopic observation, the four-blade agitator fails to form a good negative pressure channel in the flow field, and the particles fail to fully enter the melt; particle agglomeration exists in the composite materials formed by the three-blade agitator; the axial and radial velocities of bipolar spiral agitator flow field are both large, and a large negative pressure channel is formed in the pressure field, with a wide range of agitation, and a composite material with relatively uniform distribution of particles is formed. Key words: stir casting; composite material; flow field; microstructure (编辑：张金，zj@fbumiryworld.com) 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容