半固态搅拌制 SiC 颗粒增强镁基复合材料过程的数值模拟

张福龙，梁潇文

(陕西铁路工程职业技术学院城轨工程学院,渭南 714000)

0 引 言

金属基复合材料是指以金属或者合金作为基体材料，同时引入另一种金属或非金属作为增强相的复合材料。其中镁基复合材料因其密度低、比刚度高、耐磨性好、膨胀系数可控等优点，在航空航天、汽车、军工等领域具有广阔的应用前景[1-3]。颗粒增强镁基复合材料具有比强度高、尺寸稳定、生产成本低等诸多优点，尤其是采用碳化硅(SiC)作为增强体的镁基复合材料，其耐磨性能和耐高温性能得到大幅改善。而在镁基复合材料的研究中,使用廉价和化学性质稳定的SiC颗粒作为增强相来提高材料的耐磨及耐高温性能已成为当前的主流热点[4-5]。从制备工艺来讲，制备SiC颗粒增强镁基复合材料的方法可以分为搅拌铸造法、粉末冶金法和压力浸渗法。与其他方法相比，采用机械搅拌可以最大限度地减低宏观偏析，保证SiC颗粒在合金液中均匀分布。通过搅拌铸造可以获得颗粒分布良好的复合材料，且操作工艺简单可连续操作，因此搅拌铸造是最有希望大规模应用的方法[6-7]。搅拌法是制备SiC颗粒增强镁基复合材料主要方法之一，但在实际操作中经常出现气孔率过多及颗粒分布不均等问题，因此需要对搅拌过程进行精准控制。

Du等[8]采用自行研制的专用电磁机械搅拌设备，对Al-4.25%(体积分数)SiC复合材料进行了半固态搅拌铸造，最终在620 ℃下，300 r/min、600 r/min转速时分别获得SiC颗粒分布均匀的复合材料。常海等[9]采用搅拌法成功制备了SiCp/AZ91(SiC颗粒增强镁合金AZ91)复合材料，并对制备材料进行等通道角挤压变形，证明等通道角挤压变形有助于SiC颗粒的均匀分布。金全鑫[10]研究了不同尺寸SiC颗粒对于镁合金材料的影响，并对复合材料的形貌及力学性能进行了较为细致的分析。但长久以来利用机械搅拌法制备SiC颗粒增强镁基复合材料存在较多的工艺问题，主要表现在对于合成产物质量的精确控制还缺乏相关研究。因此本文采用计算流体动力学(CFD)的方法,对SiC颗粒增强镁基复合材料的半固态搅拌过程进行模拟研究，从而对影响合成产物性能的搅拌时间、搅拌速度进行判定，并与试验结果进行对比验证，从而为提高SiCp/AZ91成品品质提供理论依据。

1 实 验

图1 搅拌炉结构示意图Fig.1 Schematic diagram of stirring furnace structure

试验所采用的基体合金为AZ91，增强相为西安科技大学硅镁产业中心生产的粒径为50 μm的β-SiC颗粒，体积分数为15%，所需的SiC质量为1 kg[11]。SiC颗粒在加入合金液前先以600 ℃进行热处理，试验设备为自行设计的搅拌炉，其结构示意图如图1所示。其主要包括搅拌装置、热电阻、坩埚、导气管四部分，其中搅拌器采用双层叶片直径为30 cm，上下叶片距离为10 cm，镁熔体所在坩埚直径为50 cm，高度为70 cm。试验开始前15 min通入氩气以排除坩埚内多余的空气，将镁合金放入坩埚中熔化(全程通入氩气)，防止镁合金氧化，当镁合金达到熔化点(700 ℃)后，逐渐降低坩埚温度，开始启动搅拌装置，此时加入事先进行预热处理的SiC颗粒，整个搅拌过程中控制搅拌温度为585 ℃。达到预先设置的搅拌时间后停止搅拌，将坩埚内半固态的溶液倒入石墨坩埚中，等待进一步的物相分析。

2 数值模拟

2.1 基本方程

图2为理论计算控制方程结构图。如图2所示，SiC颗粒作为增强相在镁合金液中的运动问题属于属于不可压缩非稳态流动过程，整个搅拌过程遵循质量守恒方程和牛顿第二定律[12]。

图2 控制方程结构图Fig.2 Schematic diagram of control equation

2.2 模型的简化与假设

计算的几何模型(坩埚和搅拌桨)尺寸按照本文试验中的实际尺寸建立。搅拌过程中认为镁合金液分布是均匀的，忽略温度的局部变化及对 SiC 颗粒的影响，忽略半固态镁合金动态熔化和凝固平衡，考虑重力场对模拟结果的影响(设置重力加速度g=9.8 m/s2)。

2.3 物性参数设置

半固态镁合金液中固相占比33%(体积分数)，搅拌过程中合金液的质量密度为1.81 g/cm3，液态镁合金表面张力为0.55 N/m2。根据镁合金的粘度在559～590 ℃的测定数值，将其拟合成粘度随温度变化的方程，则不同温度下镁合金的粘度根据式(1)进行计算[13]：

y=-0.000 237 5x+0.156

(1)

式中：y为镁合金液的粘度值，Pa·s；x代表温度，K。

在高温搅拌过程中镁合金液与坩埚壁、SiC颗粒之间具有良好的润湿性(文献[14]报道镁合金与坩埚壁的接触角为30.3°，与SiC颗粒的接触角为20.3°)。

2.4 湍流模型的选择及初始边界设置

采用标准的k-ε湍流模型同时使用壁面函数来求解关于流动的相关问题。采用滑移网格技术，分别设置滑移区域和精致区域中间以Interface交界面进行连接，启动VOF模型(volume of fluid)并设置气液体积比为1 ∶3，合金液初始状态下为静止，温度设置为 585 ℃，设置搅拌速度分别为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颗粒镁合金液中的运动情况，颗粒大小为0.05 mm，颗粒表面初始温度为600 ℃，初始速度为0 m/s。图3为初始状态下模拟边界的流程设置图。

3 结果与讨论

3.1 模拟结果分析

采用VOF模型对半固态镁合金液在不同搅拌速度下液面的起伏变化进行模拟。图4为不同转速下液面起伏模拟示意图，从图中可以看出当搅拌速度为100 r/min，液面起伏较为平缓。而随着搅拌速度的不断增大，气液界面起伏也随之增大，当转速达到400 r/min时，搅拌轴中心处漩涡越来越明显，其边侧溅起的液体涌向搅拌轴心。对于通过搅拌法增强镁基复合材料过程来说，一定的搅拌速度可以保证碳化硅颗粒充分地分散于镁液之中。但是当搅拌速度增大到一定程度时，由于搅拌速度过快会使来不及分散的碳化硅颗粒集中于搅拌釜叶片周围，同时搅拌速度过快液面起伏较大，使得空气卷入镁液中从而影响后期成品的品质。而当转速为200 r/min和300 r/min时，液面的起伏程度较为合适，可以使得液面表面颗粒迅速进入熔体中，不会因为起伏过大卷入大量空气。从不同转速下气液界面的形状图可以看出，搅拌速度控制在200～300 r/min之间最为合适。

图4 不同转速下液面起伏模拟示意图Fig.4 Simulation diagram of liquid level fluctuation at different stirring speeds

上文分析基本确定了搅拌速度，下文主要研究搅拌速度为200 r/min和300 r/min时，搅拌时间对于镁基复合材料制备过程的影响。图5为200 r/min、300 r/min转速下颗粒模拟分散图，从图中可以看出碳化硅颗粒随着搅拌时间的延长从液面逐渐向镁液中扩散，在两种搅拌速度下，搅拌时间为5 min时其碳化硅颗粒还有大量的团聚现象，其并未较好地分散于半固态镁合金液之中。而随着搅拌时间的延长，碳化硅颗粒的分散程度明显改善。搅拌时间为25 min时，碳化硅已经较好地分散于镁合金液之中，此时继续延长搅拌时间对于碳化硅的分散性并无明显改善，且搅拌时间越长镁合金的氧化现象也愈加明显，因此搅拌时间不宜过长。同时相比两种转速，搅拌速度为300 r/min时半固态镁合金液中的碳化硅颗粒均匀性更好。因此本文选定的搅拌速度和时间参数分别为300 r/min、15 min。

3.2 试验对比验证

上文通过模拟确定了最佳搅拌速度为300 r/min。为验证模拟的准确性，在此搅拌速度下对不同搅拌时间的复合材料的形貌组织进行分析，从而对模拟数据做进一步的补充和验证。图6为SiCp/AZ91复合材料在不同搅拌时间下显微组织的SEM照片。从图中可以看出，当搅拌时间为5 min时，复合材料组织中还存在着一定的团聚颗粒。继续搅拌至15 min时组织中的团聚现象得到明显改善，但从宏观颗粒的分布上来看仍不均匀，组织中出现大片空隙。当搅拌时间延长至15 min时观察发现宏观上颗粒分布较均匀，此时组织中先前团聚的碳化硅颗粒已经基本消失，并没有出现大片团聚现象。当搅拌时间为20 min时碳化硅颗粒的分散性与15 min并无明显区别，其结果与模拟结果一致。图7为SiCp/AZ91复合材料在不同转速下的显微组织SEM照片，从图中可以看出当搅拌速度越小时，由于液面起伏较小且搅拌桨所形成的漩涡也较小，难以使碳化硅颗粒快速均匀分散于镁液中，搅拌速度为100 r/min，组织中的空隙十分明显。而当搅拌速度过大时，搅拌桨叶片所形成的漩涡明显增大，有利于碳化硅颗粒迅速分散于半固态镁合金液中，但同时可以看出由于搅拌速度过快，液面起伏将搅拌桨上方的空气卷入过多，组织形貌中形成较多气孔，此时搅拌速度为500 r/min。因此，在半固态搅拌工艺中，须选用适当的搅拌速度才能制备性能优良的复合材料。本文在进行多次试验及已有经验[14]之后也确定了搅拌速度在200～300 r/min之间最为适宜，这与模拟的结果也基本一致，从而验证了模拟结果的可靠性。

图5 200 r/min、300 r/min转速下颗粒模拟分散图Fig.5 Particle scatter diagram at 200 r/min and 300 r/min

图7 SiCp/AZ91复合材料在不同转速下的显微组织SEM照片Fig.7 SEM images of SiCp/AZ91 composites at different stirring speeds

4 结 论

(1)采用VOF模型对不同搅拌速度下镁合金气液界面的形状进行分析研究，可以看出随着搅拌速度的增加液面起伏明显增加。当搅拌速度超过400 r/min时，在合金液中心部位出现明显凹陷此时大量空气会在此聚集。而当转速为200 r/min和300 r/min时候液面的起伏较为合适，起伏的液面可以使得液面表面颗粒迅速进入熔体中又不会因为起伏过大而卷入大量空气。因此在本文设计的搅拌釜内搅拌速度控制在200～300 r/min之间最为合适。

(2)采用DPM模型对SiC颗粒在合金液中的分散情况进行模拟，从模拟结果可以看出搅拌速度过低、搅拌时间不充分都会导致颗粒分散不均匀。通过气液界面形貌及颗粒分散模拟的结果最终确定搅拌速度在200～300 r/min之间最佳，而搅拌时间在15 min较为合适，最终模拟的结果在样品的扫描电镜分析中也得到验证。