核壳结构Al/SiC复合粉体高速压制的多粒子有限元模拟

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本文基于粉末材料塑性变形理论及Johnson-Cook本构方程,采用多粒子有限元法(Multi-Particle Finite Element Method,MPFEM)与离散元法(Discrete Element Method,DEM)耦合的方法从颗粒尺度模拟了核壳结构Al/SiC复合粉体的高速压制(High Velocity Compaction,HVC)过程。系统研究了有序和无序初始堆积结构的复合粉体在HVC过程中压坯宏观和微观性能的变化。首先,采用DEM离散元程序生成Al/SiC复合颗粒的初始堆积结构,然后将其导入到MSC.Marc有限元软件中,得到对应的初始堆积结构模型,并对其进行设置,包括:颗粒的网格划分、颗粒材料属性设定、颗粒间接触的定义、加载过程以及网格重划分等。本文的研究重点在于从颗粒尺度对Al/SiC复合粉末HVC过程中压坯的宏观性能及微观性能进行表征,并对成形致密化的机理以及温升机理进行深入探讨和分析。系统地研究了初始堆积结构、冲击速度、压制压力及壳层厚度(Al含量)对压坯致密化和温升的影响。同时分析HVC过程中压坯致密化的动力学、温度随速度的演化及分布、颗粒的重排和变形、孔隙填充行为等。研究结果表明:a)与二元Al及SiC复合粉体(常规混粉)的HVC相比,具有核壳结构的Al/SiC复合粉体HVC后,所得到的压坯性能明显不同,表现为压坯的相对密度更高,压坯内不存在碳化硅颗粒团聚的现象,且成分更加均匀。b)Al/SiC复合粉末在HVC过程中,压坯内部的孔隙主要通过Al的塑性变形来填充。但对于不同的初始堆积结构,其致密化过程也存在着差异。有序初始堆积的复合粉体,颗粒之间排列比较整齐紧凑,在压制过程中不存在明显的粒子滑动现象,因此对其的HVC致密化只包括两个阶段:颗粒变形及硬化。而对无序初始堆积的复合粉体的HVC,其致密化过程包括三个阶段,即:颗粒重排、变形及硬化。c)初始堆积结构对压坯最终的相对密度影响不大,但对复合粉体HVC初期致密化过程的影响较大,初始堆积结构越致密,HVC过程中颗粒重排阶段的时间就越短;反之,则颗粒的重排阶段时间就越长。而压制后期致密化曲线开始趋于一致,且最终获得的致密压坯所需要的压制压力也几乎相同。d)在Al/SiC复合粉体成形过程中,较为致密的初始堆积结构经HVC后,压坯可以获得更高的温度,且温度分布更均匀,而且在这种情况下升温更快。主要是由于粉体塑性应变率的增加,导致塑性功的增加而产生热量。HVC过程中的温升主要是由Al组分的塑性变形以及颗粒间的摩擦引起的,且Al的变形越快,温升也越大。而通过计算可以发现,当压制速度为10m/s时,84.16%的温度是由塑性变形产生的。
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