文献翻译-分馏和半固态浆料充型.doc

1、 毕业设计(论文)文献翻译分馏和半固态浆料充型摘要：介绍了分馏和半固态浆料的充填模具，并对模具的几何形状，流入速度，喷嘴直径，和部分固体范围的影响进行了数值研究。泥浆被假定为非牛顿流体的剪切变薄。分馏决定了从注入泥浆的温粒子的运动轨迹。结果表明，相对于模具分馏与改变锥形模具形状，高流入速度，大型喷嘴直径，低分数固体分离有关。关键字：铸造，分馏，数学分析，非牛顿流体，泥浆1 介绍半固态浆料处理被广泛的应用于生产弥散强化，金属基由近网状的形状组成。复合材料的性质强烈的依赖泥浆流变和模具填充特点。泥浆流变特性比较复杂，有被剪切依赖和触变特性。模具填充泥浆变得更为复杂，因为发生相分离或分馏，这取决于系

2、统的运行情况。本文探讨这个问题在固体模具中填充高分数泥浆液。Suery实验的作品1，Suery和Flemings2，Flemings3，证明了剪应力在固态锡铅合金上影响机械性能和在固化复合材料上影响相分离。数值模拟Ohnaka4，半凝固的泥浆液被用于设计复杂铸件形状的工业生产。然而，对其研究相对较少，但已经解决了半固态浆料分馏的问题。Secordel和Valette5提供一些实验数据，半固态钢挤压过程中呈现出流入速度和液体之间排斥的直接关系。然而，这项研究仅限于稳态行为。肯尼迪和Clyne6进行了粒子迁移的准一维分析，在凝固过程中加工金属基复合材料。被认为是孤立的粒子动力学，并没有任何证据的结

3、果证明高度装载的泥浆可能是适用于实际利益的。本文假设等温条件下半固态浆料的充型过程相分离。分馏被确定在引进的进口浆孤立颗粒的运动轨迹。这些粒子被允许交换泥浆的动量。一系列运行参数进行了调查，包括流入率，部分固体，喷嘴直径，和模具的几何形状。2 制定图1所示是从圆柱模具和圆锥模具的系统考虑。在进口的模具直径为2.54厘米，喷嘴直径范围是从1.27至2.03厘米。一个半固态浆料的Sn-15Pb合金被注入到每个模具的底部。其目的是要使用适当的泥浆流变的模型来表示充模过程以及可能的相分离（或分馏）。这一过程用数学守恒方程来作为解决方案，表示等温条件下所需求解质量和动量，以及泥浆流变学，粒子动力学，自由

4、表面能。 泥浆假定是表现得像非牛顿液体一样强烈依赖对剪切速率7,8粘度。这个简单的定律模型已经证明，充分再现剪切变稀，半固态浆料的基本特征7,8，由此可以表示为下列方程：图1 描述模具灌装操作示意图（a）圆柱模具及（b）锥形模具质量守恒定律： . = 0 （公式1）动量守恒： （公式2）在此p是静态压力、的速度矢量，的剪切应力张量与浆液粘度，因此： （公式3）确定，泥浆被假设为一个具有非牛顿流体定律流变特性的浆液，从而9： （公式4）在变形速率的张量，( ：)产品的损伤度，m和n定义为是实证系数9,10：m = exp(9.783s+1.435) （公式5) n=0.1055+0.41s s0

5、.30 n=-0.308+1.78s s0.30 （公式6） 虽然从半固态的锡铅合金9,10数据上，派生出公式5和6的关系，Ilegbusi和Sekely7,8已经证明其他合金系统也有效性。3 分馏测定准多相方法被用来量化分级。具体来说，已知数量的粒子被泥浆注入到模具中，对这些粒子的轨迹和动态进行了调查。这些粒子被允许相互连续交换动量。假设一个粒子从域中删除，如果打在了墙上，或者被困在回流区。测量在模具中各部分剩余泥浆的颗粒余额，然后数值计算确定分离程度。分馏这里定义为： (公式7)在这里n是流入的粒子总数，是通过这个模具仍然留在高处的预测泥浆粒子总数目，z，表示以上的喷嘴预测的总和。4 数值

6、计算方法微分方程(公式 1、2)与全隐格式数值求解，有限域方案体现在PHOENICS软件代码(浓度、热、动力有限公司CHAM，英国，温布尔登)11。处理速度-压力耦合处理的使用简单的算法12。模具填充涉及两种不同的媒体(泥浆和空气)自由的表面相互作用的过程。这种剧烈的界面属性用标量方程的数值方法来表示11，采用Van Leer方案13。在所有的计算，一个30到50网格结构，再加上一次0.001秒的时间长被用来做完整的模具填充。5结果计算并分析了填充模具的几何形状，流入率，相对模具的喷嘴直径，和充填部分固体对分馏的影响。由于对称性，在每一种情况下仅有一半的模具被考虑。图2显示了灌装过程在0.5秒

7、后注射模具的中间阶段。这两种系统由于浆液的高速喷射都表现出轴浆触变性特点。当射流穿透时，由于较大的负面压力梯度较低，因此，圆柱形模具与锥形模具相比会发生自由面偏转。此外，由于圆锥模具产生高剪切速率提高剪切变稀和泥浆的流动性和抑制自由面波。这个结果是很重要的，因为一个主要原因在于从底部进行实验操作会减少干扰的预图2 浆后0.5秒的速度场的进展（a）圆柱和（b）圆锥（V =0.4米/秒，fs= 0.6，Dn=0.6马克）期效果并调整在曲面上浇注。然而，这一趋势通常是真实的纯熔体充模，结果表明这里有些不同的行为，并彰显出半固态浆料流变的复杂性。显然，曲面抑制干扰可以通过使用一个圆锥模具来实现。图3给

8、出的流入速度在模具中的分馏效果。一般在反应器内降低分馏流入速度会减少在浆模具的停留时间和增加界面拖曳力。但是在本质上它们相对于模具在高速度、更小的圆锥模具的低流量分馏水平是一样的。这种趋势一致的呈现在图2和圆锥模具有较大拖曳力的流态中。图4给出了在分馏入口的喷嘴直径（Dn）大小的影响。当喷嘴直径增加时分馏会减少，这是由于减少了喷嘴与墙之间的循环流大小，增加了相对于模具（Dm）的喷嘴直径。回流区促进颗粒的保留，因此，fs分馏率在分馏时的变化是很大的，因为相同的喷嘴直径锥形模具和圆柱形模具相比有较小的回流区。图5显示了在分数浆料固体变化时，fs分馏率也有所变化的。在分馏时观察到了当高比例固体减少，

9、会导致流动阻力的增强。6 结论通过圆柱形模具和圆锥模具配置对半固态浆料充型过程的分馏进行了研究。并对下注射速度，喷嘴面积和部分固体范围内的系统进行了调查。估计分馏时注入的泥浆颗粒图3 完整的灌装入口速度对分馏变化影响留在系统中各种模具轴向部分的比例来求解确定的温粒子运动方程。这项研究的主要发现是，分馏是强烈依赖的加工条件和模具几何形状的。这是减少了高流入的速度，增加了相对于模具的进口的喷嘴面积和低分数固体泥浆。一般在锥形模具低于在圆柱形模具的分馏率。它们充模过程的特点是由泥浆喷射决定的。在锥形模具泥浆喷射和自由表面失真度会减少。 这些成果具有重大的现实意义。具体来说，对于成功转换为先进的工程组

10、件所需的最小相分离，大喷嘴直径相对高固相分数的浆料是快速填充模具所必需的。结果还表明，大的拖曳阻力是通过减少模具几何形状，提高流动性（或剪切变稀特性），并降低泥浆相分离来实现的。图4 完整的灌装分馏的轴向变化对 图5 完整的灌装分馏的轴向变化对喷嘴直的影响 分数固体的影响致谢这项工作得到了国家自然科学基金，批准号：DMI-9612497，达勒姆Delcie，博士项目经理支持。参考文献1 M.Suery，Correlations between Structure and Formability of Alloys in Semiso-lid State，Formability and Meta

11、llurgical Structures，A.K. Sachdev and J.D.Embury，Ed.，Metallurgical Society，1987，p 283-301.2 M. Suery and M.C. Flemings， Effect of Strain Rate on Deformation Behavior of Semi-Solid Dendritic Alloys， Metall. Trans. A， Vol 13， 1982， p 18023 C.M. Flemming， Behavior of Metal and Alloys in the Semi-Solid

12、State， Metall.Trans. A， Vol 22， 1991， p 957-981.4 I. Ohnaka， Solidification Analysis of Castings， Osaka University， Japan， p 709-741.5 P.Secordeland E.Valette，Experimental Extrusion Test to Study the Rheologic-al Behavior of Semi-Solid Steels， Proceedings of the Second International Conference on th

13、e Processing of Semi- Solid Alloys and Composites (Camb-ridge， MA)， Massachusetts Institute of Technology，10-12 June 1992， p306-315.6 A.R. Kennedy and T.W. Clyne， The Migration Behavior of Reinforcing Particlesduring the Solidification Processing of MMCs， Second International Confer- ence on the Sem

14、i-Solid Processing of Alloys and Composites (Cambridge，MA)， Massachusetts Institute of Technology， 10-12 June 1992，p 376-381.7 O.J. Ilegbusi and J. Szekely，Mathematical Modeling of the Electromagnetic Stirring of Molten Metal Solid Suspensions，Trans. Iron Steel Inst. Jpn.Vol-28， 1988， p 97-103.8 O.J