SiCp/A356吸铸充型与凝固过程传热行为的研究

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复合材料是一种具有广阔应用前景的高性能材料,近几十年的发展,已经广泛应用到航空航天、汽车和电子工业等领域,并呈现出更广阔的发展前景。铸件的充型和凝固过程的温度变化影响着充型和凝固进程,决定着铸件的微观组织与性能。本文利用吸铸测温装置,研究了不同体积分数SiCp增强的A356复合材料充型和凝固过程的温度变化,运用反算法求解了凝固过程铸件/铸型界面传热系数。本文首先设计了一套吸铸测温装置,选用了SiC为复合材料的增强颗粒、A356为复合材料的基体材料,运用机械搅拌法制备出四组增强颗粒体积分数不同的SiCp/A356,对其分别进行了吸铸充型和凝固过程测温实验。根据实验测量所得的温度数据,分析了吸铸充型和凝固过程的温度变化,探讨了不同体积分数SiCp对充型和凝固过程温度变化的影响规律。利用ANSYS的APDL语言编写了数值模拟程序结合VC++反算程序,反求了吸铸凝固实验的界面传热系数。根据实验测量得到的充型温度数据,分析得出SiCp/A356熔体在吸铸充型过程中一直呈现紊流状态;随着SiCp体积分数的增加,复合材料的粘度变大,流动速度减小;此外,随着SiCp体积分数的增加,复合材料温度下降越慢,其原因一方面为颗粒加入减少了金属液与铸型接触面积,减少了热量的损失,另一方面因为颗粒加入导致金属液和铸型的界面润湿性变差,阻碍了热量的传导。实验凝固温度测量数据的对比分析表明,凝固过程中随着SiCp体积分数的增加,SiCp/A356的导热系数增大,导致液态阶段复合材料冷却速度加大;在凝固结晶阶段,颗粒体积分数越多,直接降低了凝固潜热的释放,因此,复合材料的结晶温度越低;在凝固结束后,SiCp体积分数的增加使复合材料的凝固收缩变小,加快了复合材料的热量传递,导致了复合材料温度下降的加大。通过对四组不同体积分数的SiCp/A356铸件/铸型界面传热系数反求,结果表明吸铸过程中界面传热系数在凝固开始后第2-6s达到最大值,然后迅速降低,大约在40-50s以后,界面传热系数下降结束,开始处于一个稳定值,铸件和铸型的热量传递处于比较稳定的状态。随着SiCp体积分数的增加,复合材料界面传热系数峰值越来越小,A356、A356-5%SiCp、A356-10%SiCp和A356-15%SiCp的界面传热系数峰值分别为5363.37、4229.64、3829.61和2870.4W/(m~2·℃)。
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