張福龍，梁瀟文

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院城軌工程學(xué)院,渭南 714000)

0 引 言

金屬基復(fù)合材料是指以金屬或者合金作為基體材料，同時(shí)引入另一種金屬或非金屬作為增強(qiáng)相的復(fù)合材料。其中鎂基復(fù)合材料因其密度低、比剛度高、耐磨性好、膨脹系數(shù)可控等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、汽車、軍工等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、尺寸穩(wěn)定、生產(chǎn)成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，尤其是采用碳化硅(SiC)作為增強(qiáng)體的鎂基復(fù)合材料，其耐磨性能和耐高溫性能得到大幅改善。而在鎂基復(fù)合材料的研究中,使用廉價(jià)和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的SiC顆粒作為增強(qiáng)相來提高材料的耐磨及耐高溫性能已成為當(dāng)前的主流熱點(diǎn)[4-5]。從制備工藝來講，制備SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的方法可以分為攪拌鑄造法、粉末冶金法和壓力浸滲法。與其他方法相比，采用機(jī)械攪拌可以最大限度地減低宏觀偏析，保證SiC顆粒在合金液中均勻分布。通過攪拌鑄造可以獲得顆粒分布良好的復(fù)合材料，且操作工藝簡單可連續(xù)操作，因此攪拌鑄造是最有希望大規(guī)模應(yīng)用的方法[6-7]。攪拌法是制備SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料主要方法之一，但在實(shí)際操作中經(jīng)常出現(xiàn)氣孔率過多及顆粒分布不均等問題，因此需要對攪拌過程進(jìn)行精準(zhǔn)控制。

Du等[8]采用自行研制的專用電磁機(jī)械攪拌設(shè)備，對Al-4.25%(體積分?jǐn)?shù))SiC復(fù)合材料進(jìn)行了半固態(tài)攪拌鑄造，最終在620 ℃下，300 r/min、600 r/min轉(zhuǎn)速時(shí)分別獲得SiC顆粒分布均勻的復(fù)合材料。常海等[9]采用攪拌法成功制備了SiCp/AZ91(SiC顆粒增強(qiáng)鎂合金AZ91)復(fù)合材料，并對制備材料進(jìn)行等通道角擠壓變形，證明等通道角擠壓變形有助于SiC顆粒的均勻分布。金全鑫[10]研究了不同尺寸SiC顆粒對于鎂合金材料的影響，并對復(fù)合材料的形貌及力學(xué)性能進(jìn)行了較為細(xì)致的分析。但長久以來利用機(jī)械攪拌法制備SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料存在較多的工藝問題，主要表現(xiàn)在對于合成產(chǎn)物質(zhì)量的精確控制還缺乏相關(guān)研究。因此本文采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)的方法,對SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的半固態(tài)攪拌過程進(jìn)行模擬研究，從而對影響合成產(chǎn)物性能的攪拌時(shí)間、攪拌速度進(jìn)行判定，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證，從而為提高SiCp/AZ91成品品質(zhì)提供理論依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

圖1 攪拌爐結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of stirring furnace structure

試驗(yàn)所采用的基體合金為AZ91，增強(qiáng)相為西安科技大學(xué)硅鎂產(chǎn)業(yè)中心生產(chǎn)的粒徑為50 μm的β-SiC顆粒，體積分?jǐn)?shù)為15%，所需的SiC質(zhì)量為1 kg[11]。SiC顆粒在加入合金液前先以600 ℃進(jìn)行熱處理，試驗(yàn)設(shè)備為自行設(shè)計(jì)的攪拌爐，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其主要包括攪拌裝置、熱電阻、坩堝、導(dǎo)氣管四部分，其中攪拌器采用雙層葉片直徑為30 cm，上下葉片距離為10 cm，鎂熔體所在坩堝直徑為50 cm，高度為70 cm。試驗(yàn)開始前15 min通入氬氣以排除坩堝內(nèi)多余的空氣，將鎂合金放入坩堝中熔化(全程通入氬氣)，防止鎂合金氧化，當(dāng)鎂合金達(dá)到熔化點(diǎn)(700 ℃)后，逐漸降低坩堝溫度，開始啟動(dòng)攪拌裝置，此時(shí)加入事先進(jìn)行預(yù)熱處理的SiC顆粒，整個(gè)攪拌過程中控制攪拌溫度為585 ℃。達(dá)到預(yù)先設(shè)置的攪拌時(shí)間后停止攪拌，將坩堝內(nèi)半固態(tài)的溶液倒入石墨坩堝中，等待進(jìn)一步的物相分析。

2 數(shù)值模擬

2.1 基本方程

圖2為理論計(jì)算控制方程結(jié)構(gòu)圖。如圖2所示，SiC顆粒作為增強(qiáng)相在鎂合金液中的運(yùn)動(dòng)問題屬于屬于不可壓縮非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過程，整個(gè)攪拌過程遵循質(zhì)量守恒方程和牛頓第二定律[12]。

圖2 控制方程結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Schematic diagram of control equation

2.2 模型的簡化與假設(shè)

計(jì)算的幾何模型(坩堝和攪拌槳)尺寸按照本文試驗(yàn)中的實(shí)際尺寸建立。攪拌過程中認(rèn)為鎂合金液分布是均勻的，忽略溫度的局部變化及對 SiC 顆粒的影響，忽略半固態(tài)鎂合金動(dòng)態(tài)熔化和凝固平衡，考慮重力場對模擬結(jié)果的影響(設(shè)置重力加速度g=9.8 m/s2)。

2.3 物性參數(shù)設(shè)置

半固態(tài)鎂合金液中固相占比33%(體積分?jǐn)?shù))，攪拌過程中合金液的質(zhì)量密度為1.81 g/cm3，液態(tài)鎂合金表面張力為0.55 N/m2。根據(jù)鎂合金的粘度在559～590 ℃的測定數(shù)值，將其擬合成粘度隨溫度變化的方程，則不同溫度下鎂合金的粘度根據(jù)式(1)進(jìn)行計(jì)算[13]：

y=-0.000 237 5x+0.156

(1)

式中：y為鎂合金液的粘度值，Pa·s；x代表溫度，K。

在高溫?cái)嚢柽^程中鎂合金液與坩堝壁、SiC顆粒之間具有良好的潤濕性(文獻(xiàn)[14]報(bào)道鎂合金與坩堝壁的接觸角為30.3°，與SiC顆粒的接觸角為20.3°)。

2.4 湍流模型的選擇及初始邊界設(shè)置

采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型同時(shí)使用壁面函數(shù)來求解關(guān)于流動(dòng)的相關(guān)問題。采用滑移網(wǎng)格技術(shù)，分別設(shè)置滑移區(qū)域和精致區(qū)域中間以Interface交界面進(jìn)行連接，啟動(dòng)VOF模型(volume of fluid)并設(shè)置氣液體積比為1 ∶3，合金液初始狀態(tài)下為靜止，溫度設(shè)置為 585 ℃，設(shè)置攪拌速度分別為100 r/min、200 r/min、300 r/min、400 r/min、500 r/min、600 r/min。采用DPM模型(discrete phase model)研究SiC顆粒鎂合金液中的運(yùn)動(dòng)情況，顆粒大小為0.05 mm，顆粒表面初始溫度為600 ℃，初始速度為0 m/s。圖3為初始狀態(tài)下模擬邊界的流程設(shè)置圖。

3 結(jié)果與討論

3.1 模擬結(jié)果分析

采用VOF模型對半固態(tài)鎂合金液在不同攪拌速度下液面的起伏變化進(jìn)行模擬。圖4為不同轉(zhuǎn)速下液面起伏模擬示意圖，從圖中可以看出當(dāng)攪拌速度為100 r/min，液面起伏較為平緩。而隨著攪拌速度的不斷增大，氣液界面起伏也隨之增大，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到400 r/min時(shí)，攪拌軸中心處漩渦越來越明顯，其邊側(cè)濺起的液體涌向攪拌軸心。對于通過攪拌法增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料過程來說，一定的攪拌速度可以保證碳化硅顆粒充分地分散于鎂液之中。但是當(dāng)攪拌速度增大到一定程度時(shí)，由于攪拌速度過快會(huì)使來不及分散的碳化硅顆粒集中于攪拌釜葉片周圍，同時(shí)攪拌速度過快液面起伏較大，使得空氣卷入鎂液中從而影響后期成品的品質(zhì)。而當(dāng)轉(zhuǎn)速為200 r/min和300 r/min時(shí)，液面的起伏程度較為合適，可以使得液面表面顆粒迅速進(jìn)入熔體中，不會(huì)因?yàn)槠鸱^大卷入大量空氣。從不同轉(zhuǎn)速下氣液界面的形狀圖可以看出，攪拌速度控制在200～300 r/min之間最為合適。

圖4 不同轉(zhuǎn)速下液面起伏模擬示意圖Fig.4 Simulation diagram of liquid level fluctuation at different stirring speeds

上文分析基本確定了攪拌速度，下文主要研究攪拌速度為200 r/min和300 r/min時(shí)，攪拌時(shí)間對于鎂基復(fù)合材料制備過程的影響。圖5為200 r/min、300 r/min轉(zhuǎn)速下顆粒模擬分散圖，從圖中可以看出碳化硅顆粒隨著攪拌時(shí)間的延長從液面逐漸向鎂液中擴(kuò)散，在兩種攪拌速度下，攪拌時(shí)間為5 min時(shí)其碳化硅顆粒還有大量的團(tuán)聚現(xiàn)象，其并未較好地分散于半固態(tài)鎂合金液之中。而隨著攪拌時(shí)間的延長，碳化硅顆粒的分散程度明顯改善。攪拌時(shí)間為25 min時(shí)，碳化硅已經(jīng)較好地分散于鎂合金液之中，此時(shí)繼續(xù)延長攪拌時(shí)間對于碳化硅的分散性并無明顯改善，且攪拌時(shí)間越長鎂合金的氧化現(xiàn)象也愈加明顯，因此攪拌時(shí)間不宜過長。同時(shí)相比兩種轉(zhuǎn)速，攪拌速度為300 r/min時(shí)半固態(tài)鎂合金液中的碳化硅顆粒均勻性更好。因此本文選定的攪拌速度和時(shí)間參數(shù)分別為300 r/min、15 min。

3.2 試驗(yàn)對比驗(yàn)證

上文通過模擬確定了最佳攪拌速度為300 r/min。為驗(yàn)證模擬的準(zhǔn)確性，在此攪拌速度下對不同攪拌時(shí)間的復(fù)合材料的形貌組織進(jìn)行分析，從而對模擬數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的補(bǔ)充和驗(yàn)證。圖6為SiCp/AZ91復(fù)合材料在不同攪拌時(shí)間下顯微組織的SEM照片。從圖中可以看出，當(dāng)攪拌時(shí)間為5 min時(shí)，復(fù)合材料組織中還存在著一定的團(tuán)聚顆粒。繼續(xù)攪拌至15 min時(shí)組織中的團(tuán)聚現(xiàn)象得到明顯改善，但從宏觀顆粒的分布上來看仍不均勻，組織中出現(xiàn)大片空隙。當(dāng)攪拌時(shí)間延長至15 min時(shí)觀察發(fā)現(xiàn)宏觀上顆粒分布較均勻，此時(shí)組織中先前團(tuán)聚的碳化硅顆粒已經(jīng)基本消失，并沒有出現(xiàn)大片團(tuán)聚現(xiàn)象。當(dāng)攪拌時(shí)間為20 min時(shí)碳化硅顆粒的分散性與15 min并無明顯區(qū)別，其結(jié)果與模擬結(jié)果一致。圖7為SiCp/AZ91復(fù)合材料在不同轉(zhuǎn)速下的顯微組織SEM照片，從圖中可以看出當(dāng)攪拌速度越小時(shí)，由于液面起伏較小且攪拌槳所形成的漩渦也較小，難以使碳化硅顆?？焖倬鶆蚍稚⒂阪V液中，攪拌速度為100 r/min，組織中的空隙十分明顯。而當(dāng)攪拌速度過大時(shí)，攪拌槳葉片所形成的漩渦明顯增大，有利于碳化硅顆粒迅速分散于半固態(tài)鎂合金液中，但同時(shí)可以看出由于攪拌速度過快，液面起伏將攪拌槳上方的空氣卷入過多，組織形貌中形成較多氣孔，此時(shí)攪拌速度為500 r/min。因此，在半固態(tài)攪拌工藝中，須選用適當(dāng)?shù)臄嚢杷俣炔拍苤苽湫阅軆?yōu)良的復(fù)合材料。本文在進(jìn)行多次試驗(yàn)及已有經(jīng)驗(yàn)[14]之后也確定了攪拌速度在200～300 r/min之間最為適宜，這與模擬的結(jié)果也基本一致，從而驗(yàn)證了模擬結(jié)果的可靠性。

圖5 200 r/min、300 r/min轉(zhuǎn)速下顆粒模擬分散圖Fig.5 Particle scatter diagram at 200 r/min and 300 r/min

圖7 SiCp/AZ91復(fù)合材料在不同轉(zhuǎn)速下的顯微組織SEM照片F(xiàn)ig.7 SEM images of SiCp/AZ91 composites at different stirring speeds

4 結(jié) 論

(1)采用VOF模型對不同攪拌速度下鎂合金氣液界面的形狀進(jìn)行分析研究，可以看出隨著攪拌速度的增加液面起伏明顯增加。當(dāng)攪拌速度超過400 r/min時(shí)，在合金液中心部位出現(xiàn)明顯凹陷此時(shí)大量空氣會(huì)在此聚集。而當(dāng)轉(zhuǎn)速為200 r/min和300 r/min時(shí)候液面的起伏較為合適，起伏的液面可以使得液面表面顆粒迅速進(jìn)入熔體中又不會(huì)因?yàn)槠鸱^大而卷入大量空氣。因此在本文設(shè)計(jì)的攪拌釜內(nèi)攪拌速度控制在200～300 r/min之間最為合適。

(2)采用DPM模型對SiC顆粒在合金液中的分散情況進(jìn)行模擬，從模擬結(jié)果可以看出攪拌速度過低、攪拌時(shí)間不充分都會(huì)導(dǎo)致顆粒分散不均勻。通過氣液界面形貌及顆粒分散模擬的結(jié)果最終確定攪拌速度在200～300 r/min之間最佳，而攪拌時(shí)間在15 min較為合適，最終模擬的結(jié)果在樣品的掃描電鏡分析中也得到驗(yàn)證。