定向凝固多孔金属研究进展

本文从凝固理论、凝固方法与装置、凝固体系、性能及应用等方面,综述了定向凝固多孔金属的研究进展。圆柱形气孔规则排列的多孔金属是通过定向凝固方法在加压气氛中利用金属/气体共晶反应制备的。通过控制凝固方向,不仅可以制备一维藕状多孔结构,还可以制备二维放射状多孔结构。参考经典的JacksonHunt共晶模型,建立了稳态凝固条件下金属-气体共晶定向凝固的理论模型,并且给出了考虑H2逸出和定向凝固多孔结构形成的工艺参数窗口。介绍了模铸法、连续铸造法和Bridgman型定向凝固法3种制备技术。重点介绍了定向凝固多孔结构制备过程中的2个重要进展:孔结构均匀的定向凝固多孔合金的制备以及高孔隙率定向凝固多孔Al的制备。圆柱形气孔规则排列使得定向凝固多孔金属在力、热、声以及渗透等方面具有特殊的性能优势,因此在轻质结构材料、热沉、过滤器和人工骨等领域具有广阔的应用前景。     

喷墨打印头陶瓷喷孔的皮秒激光加工研究

喷墨打印头的喷孔直径一般为几十微米,材料一般是有机薄膜、不锈钢薄片等。针对有机膜等作为喷嘴板材料的缺陷,采用氧化锆陶瓷代替,以提高耐磨能力和耐腐蚀性。采用皮秒激光打孔方法,可在多种材料上加工出直径几十微米的小孔,包括聚酰亚胺（厚度50μm）、氧化锆陶瓷（厚度120μm）和铜片（厚度70μm）。通过控制不同的参数变化,可制备出孔径约20μm、孔间距为140μm的喷孔阵列。对比不同参数下喷孔尺寸和微观形貌发现,较高功率密度、较低单点停留时间有助于得到圆孔,减少重铸层。     

宽弦航空叶片Bridgeman定向凝固组织数值模拟

建立了宽弦叶片定向凝固过程的宏微观数理模型,计算结果与实验结果吻合,铸件表面大部分晶粒的位置和形状一一对应.通过数值模拟预测了不同引晶方式和拉速下温度场和晶粒组织的演变过程,研究了2种因素的影响规律.通过建立糊状区形态和晶粒数的数学判据,实现了温度场和微观组织优劣的定量评价,基于判据揭示了工艺参数对糊状区和晶粒的影响机理,从而对工艺进行了定量的优化.研究表明,采用叶身正下方的引晶方式,有利于增加柱状晶数目,提高晶粒平行度,防止横向晶界生成,同时还可以在糊状区形状保持平直的前提下使用较高拉速,从而避免晶粒粗化,并提高生产率.     

[制造前沿]创新·强基·智能——建设制造强国

世界工业发达国家美、德、英等国“重振制造业”的发展战略均将智能制造作为发展趋势。我国制造业总体而言，大而不强。我国已是世界制造第一大国，但创新能力弱、缺乏关键核心及共性技术。我国《制造强国发展战略》聚焦“五大工程”，其中将智能制造作为主攻方向，而“五大工程”是相互联系和相互支持的。数字化设计与制造是智能制造关键共性技术，而建模与仿真是数字化设计与制造的科学基础。要全面实施智能制造，建成制造强国，任重而道远。     

定向凝固藕状多孔Al生长过程的模拟仿真

通过对Gasar凝固过程中的传质、气泡形核、气孔生长、中断及脱离等的理论分析,建立了一个描述单气孔演变过程的非稳态三维模型,并采用有限差分的方法模拟了不同凝固速率下定向凝固多孔Al的气孔形貌.基于Al-H2系的研究结果表明:当凝固速率在0.15~0.005 mm/s范围内时,固/气两相能够维持协同生长,气孔的平均孔径分布在100~1100 mm之间,但随凝固速率的降低会逐渐增加,气孔长度亦随凝固速率的降低逐渐增加,长径比则基本保持在40左右;当凝固速率为0.015 mm/s时,气孔孔径的模拟值与实验值吻合较好,之后随凝固速率的降低,模拟孔径略低于实验值,分析认为,实际凝固过程中熔体上方的H2向熔体内的不断扩散是导致该差异的主要原因;随着熔体过热度和H2分压的逐渐增大,对应藕状多孔Al固/气两相协同生长凝固速率范围的最大值由不足0.01 mm/s先逐渐增加之后稳定在0.15 mm/s,最小值则由0.0001 mm/s左右逐渐增加至约0.01 mm/s;对Al-H2系和Cu-H2系相关参数的比较分析表明,H2在金属熔体中的溶解度是决定Al-H2系Gasar结构中固/气两相协同生长凝固速率范围的主要参数.     

铝合金模精密铸造界面换热系数测量

熔模精密铸造对于铸件近净成形具有重要意义,但目前鲜见对其铸件-铸型界面换热系数的相关研究.本试验在一维传热模型中采用非线性估算法对工业纯铝在熔模铸造过程中与型壳的换热行为进行了研究,分析结果表明:在凝固前期,铸件与型壳之间的热流密度基本不变,而界面换热系数随两者温差减小而增大;凝固中期,界面换热系数随着整体固相分数增加而线性下降;凝固后期,界面换热系数下降变得十分缓慢.将在一维模型中反求得到的界面换热系数应用到三维铸件模型中,得到的模拟温度与实测温度基本吻合,证明通过一维模型与非线性估算法求取的界面换热系数比较准确,有望在铝合金精密铸造温度模拟中得到应用.     

冷却速度对Al-7Si-0.3Mg-0.15Fe合金凝固参数和微观组织的影响(英文)

研究凝固过程中冷却速度对Al-7Si-0.3Mg-0.15Fe合金凝固参数和组织的影响。为了获得不同的冷却速度,设计了5个不同厚度阶梯的阶梯间。通过计算机辅助热分析法得到冷却速度和凝固参数。结果显示,冷却速度越高,初生α(Al)的形核温度、共晶反应温度以及固相线的温度都越低。当冷却速度由0.19℃/s增加到6.25℃/s时,二次枝晶臂间距(SDAS)从68μm下降到20μm,初生相的体积分数也下降5%。铁相的平均长度由28μm下降到18um,并且提高了铁相在基体中的分布均匀性。此外,冷却速度的提高,有利于促进共晶硅向纤维状分支结构的转变,减少了基体中的块状和板状共晶硅。     

单室Gasar工艺中抽拉速率对藕状多孔Cu气孔形貌的影响

采用单室Gasar工艺,通过实验研究和Procast凝固模拟相结合,研究了坩埚抽拉速率对凝固界面形貌、铸锭平均凝固速率、藕状多孔Cu气孔形貌、气孔生长方向以及相应多孔结构参数的影响规律.研究表明,随着抽拉速率的升高,凝固界面从凸界面向平界面再向凹界面演化.当凝固界面为凸界面和凹界面时,气孔生长方向都会偏离铸锭抽拉方向.而只有在合适的抽拉速率条件下使凝固界面以平界面方式推进,才能获得气孔完全平直生长的优质藕状多孔Cu.实验和模拟结果显示,在本实验条件下,当抽拉速率为1 mm/s时,铸锭凝固界面基本以平界面方式推进;藕状多孔Cu铸锭的气孔率不受抽拉速率的影响,但随着抽拉速率的增大,平均孔径和通孔率会逐渐降低.     

机械混炼对碳纳米管/丁苯橡胶复合材料的影响

为研究机械混炼对碳纳米管(CNTs)/粉末丁苯橡胶(SBR)复合材料性能的影响,从而获得性能优异的CNTs/SBR复合材料,联合采用喷雾干燥法和机械混炼法,制备高填充量CNTs/SBR复合材料.将喷雾干燥法制备的CNTs/粉末SBR复合材料在开炼机上机械混炼,对比分析混炼前后试样的物理和力学等相关性能,并对其微观形貌进行检测.结果表明,机械混炼使CNTs获得进一步的分散,与SBR基体间作用力得到增强,与混炼前相比,混炼后试样的玻璃化转变温度、交联度和常规力学性能均得到提高,当CNTs加入量为50phr时,混炼后复合材料的拉伸强度和撕裂强度分别为13.1MPa和39.8kN/m,比混炼前试样分别提高了约80%和20%.     

局域图形上的碳纳米管可控生长及转移

射频通信领域中,开关触点材料对射频微电子机械系统(RF MEMS)开关的性能影响很大.在图形化的二氧化硅(SiO2)基底上采用热化学气相沉积(TCVD)法通过“分段”方法生长出了长度为1 ～ 20 μm可控的垂直均匀的优质碳纳米管(CNT)微阵列,并结合MEMS工艺将CNT/Au复合触点转移到了玻璃基底上.转移前在面积分别为30～ 120 μm2碳管阵列顶端镀金,测量出CNT/Au电极阻值分布在0.429～0.612 Ω,与相同面积Au电极(0.421 Ω)导电性能相差不大.因此,CNT/Au是一种潜在优良的MEMS开关触点材料.