氧化铝基共晶陶瓷定向凝固过程中的数值模拟

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氧化铝基共晶陶瓷由于具有优异的高温力学性能和抗氧化性能而备受关注,被看作是超高温高性能航空发动机的结构件和动载件最有前景的候选材料。共晶陶瓷多种制备方法中,感应区域熔炼法的特点是可以获得较高的温度梯度,样品具有规则的外形等。为了获得感应区域熔炼制备共晶陶瓷的优化工艺参数,缩短实验研究周期,本文采用有限元法计算模拟了Al2O3/MgAl2O4共晶陶瓷的区域熔炼定向凝固过程。主要研究内容与结论如下:  讨论了不同坩埚半径对共晶生长过程中的传热以及对流的影响。结果表明:随着坩埚半径的增大,该过程中的自然对流作用增强,固液界面凹陷度增加,结晶界面附近的熔体流动不稳定性增加,这些均不利于晶体的稳定生长。  模拟研究了共晶生长过程中的传热机制。结果表明:在共晶生长过程中虽然传热主要以热传导的方式进行,但自然对流的传热作用不可忽略。重力加速度越大,自然对流对传热的影响就越大。  模拟研究了自然对流的特征及对共晶生长过程中固液界面形貌的影响。结果表明:自然对流呈逆时针环形流,整个凝固过程中流动强度先减小后增大。自然对流的存在加剧了共晶“U”型固液界面的凹陷度。  探讨了加速坩埚旋转技术(Accelerated Crucible Rotation Technique,ACRT)对区熔法生长氧化铝共晶陶瓷定向凝固过程中传热和流动的影响。结果表明:ACRT强迫对流的特征为逆时针、顺时针对流胞交替呈现,强度比自然对流大1-2个数量级。施加ACRT后,凝固过程中固液界面仍然呈凹形界面,但是凹陷深度显著减小;当增大坩埚最大转速或减少加速时间时,对流强度都会显著增加,固液界面的凹陷深度进一步减小,直至趋近于平界面。结合本实验的实际情况,我们认为采用70rpm最大转速,4s加速时间为最佳。
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