单分散Al-4.5wt%Cu合金粒子的制备与凝固过程模拟

作     者：慈恒坚 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：董伟

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：单分散粒子 快速凝固 冷却速率 脉冲微孔喷射法 

摘      要：近年来微滴凝固成型制备技术作为材料快速成型领域简便而高效的制备方法,得到了广泛的关注。与其相关的制备方法及成型过程模拟研究也有了长足进步。微滴成型技术与其他3D打印技术有相似的要求,既要能控制形状,又要求性能优异,稳定的液滴喷射和稳定的凝固过程都对获得所需要的形状和性能有重要的影响。从工艺方法看,获得可控的所需组织及性能的前提是先要制备出粒径均一且稳定的液滴,经相同凝固环境形成粒子。但由于目前技术手段的限制,难以获得粒径均一的液滴,凝固所形成的粒子即便通过筛分得到粒径相近的粒子,但由于热历史的差异形成了不同的微观组织使得实验的现性不足。从粒子凝固模拟看,研究者通常将粒子视为等温质点,即内部温度处处相同。但实验表明,较大粒径粒子的内外部组织明显不同,说明粒子表面与内部存在着较大的温度梯度,现有的模拟研究难以对温度梯度作出准确描述,而温度梯度对凝固过程与组织的影响却较为显著,是无法忽略的重要因素。本研究以硬铝合金(Al-4.5wt%Cu)为对象,使用自主研发的脉冲微孔喷射法制备装置制得了粒径均一,球形度高的Al-4.5wt%Cu微粒子,并对其微观组织进行了表征分析。针对微粒子的运动、传热及凝固特征,建立了极坐标系下凝固传热过程的三维数值计算模型,对传热控制方程使用有限差分法进行离散,计算分析粒子凝固过程的温度变化及其分布,在此基础上将粒子的冷却速率与微观结构相关联,讨论了不同制备条件下粒子的传热、冷却行为对其凝固过程的影响。得到以下结论:该方法制备的Al-4.5wt%Cu粒子具有粒径均一、高球形度、热履历一致的优点。随着粒子的粒径逐渐增加,粒子的内部微观结构发生变化,由胞状晶转向树枝晶。这是因为不同粒径粒子冷却速率与温度梯度不同导致。在本实验条件下,310.0μm粒子内部凝固组织为胞状晶,485.1μm粒子内部为树枝晶。数值模拟的计算结果表明:粒子凝固时内部存在明显的温度梯度,不同粒径粒子对流热流密度随时间的变化趋势稍有不同,辐射热流密度变化趋势相同,粒子在冷却过程中对流换热占主导地位。粒径310.0μm粒子冷却速率771.71 K/s,粒径398.9μm粒子冷却速率506.21 K/s,粒径485.1μm粒子冷却速率382.40 K/s。