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国际创新研究期刊》的研究在科学、工程和技术

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数学建模和计算机仿真立式离心铸造颗粒梯度分布的功能梯度复合材料

Abdul Samad公共广播1Sandeep K。2博士Shalij p R。3
  1. 机械工程系副教授,政府,工程学院,德里,印度喀拉拉邦
  2. 研究生学生,机械工程系,政府,工程学院,德里,印度喀拉拉邦
  3. 生产工程系副教授。政府,工程学院,喀拉拉邦,印度德里
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文摘

陶瓷颗粒悬浮在立式离心铸造铝融化的功能梯度复合(第五代计算机)进行了研究。力平衡陶瓷颗粒是制定和陶瓷颗粒的运动粘性熔融金属在离心力和拖力建模。凝固是合并的影响。MATLAB是用来模拟梯度成分形成的过程的立式离心铸造铝碳化硅复合材料。效应等各种参数的模具转速,凝固速率和初始部分分式粒子的粒子在隔离审查。

关键字
离心铸造、功能梯度复合粒子分离,铝碳化硅复合材料

介绍
功能梯度材料(FGM)的特点是连续和光滑的成分和/或微观结构的变化,以满足功能性能要求中随位置的部分。功能梯度材料金属陶瓷功能梯度材料在不同,也被称为功能梯度复合材料(第五代计算机)的实际利益。第五代计算机是渐进的成分变化的缩影金属集中地区在一个地区陶瓷集中在另一个地区。这将导致机械物理和/或化学性质在整个厚度。优点是最小化异种材料界面的应力集中。第五代计算机发现应用程序在积极的环境中与陡峭的温度梯度,如火箭喷嘴,热障涂层涡轮组件等。它还发现应用程序在某些汽车组件。
有些功能梯度材料的生产方法固化处理,化学蒸汽沉积、粉末冶金等。但是没有一个是适合大规模生产的大型组件。离心铸造是一种相对较新的方法生产功能梯度复合材料通过改变工艺参数。技术涉及包含强化陶瓷颗粒的液体融化涌入快速旋转的模具安装垂直方向或水平方向振动,和持续的旋转,直到凝固完成。在旋转中,种族隔离的粒子发生由于离心力要么内部或外部的一部分铸造取决于粒子的相对密度和融化,导致粒子强化了第五代计算机。种族隔离的扩展取决于工艺参数如颗粒大小,模具旋转速度和粒子的初始部分分式。

相关工作
p . Samba湿婆Raju等。[1]提出了一个数学模型来找到在离心铸造的金属陶瓷复合粒子运动。拟议的模型模拟,结果表明,旋转速度梯度的形成具有良好的效果。Prem E J先生等。[2]中描述他们的论文,当离心力是应用于铸造,它允许控制的粒子分布在凝固金属基体,成为一个重要的和富有成果的技术生产铸件部分与分级结构和属性。种族隔离的固体颗粒分散在液体旋转浆发生由于离心力。粒子移动外部或内部旋转模具的一部分,因为他们与熔体密度差。
有不同的方法的描述物理相互作用,发生在这个复杂的现象描述离心铸造颗粒增强复合材料的。几乎所有的模型目前现有的一维,因为简单和离心加速度的事实远远大于重力(3、4)。几乎所有的研究至今使用一个简单的一级动力学方程除了模型的微分方程Prem e . j .先生T.P.D. Rajan, s . Savithri U.T.S.皮拉伊和公元前Pai [2]。动力学方程本质上是一个二阶微分方程,因为离心加速度。但是粒子的厚度富裕区两端的铸件(顶部和底部,或前后部分的离心铸造气缸)通常比同一区中部铸造对于卧式离心铸造[3]。所以本质上是二维水平

建模的力量作用于粒子
粒子在一个金属脱毛会受到离心,重力和拖曳力和粒子之间的相互作用和界面粒子运动的(凝固前)。以下假设为建模:
一个¯‚·陶瓷粒子是球形的形状
一个¯‚·浇注融化有均匀分布的粒子悬浮在熔融金属

II.A。离心力
在离心铸造过程中,粒子隔离发生由于熔融金属和粒子之间的密度差异。假设球形粒子,总由离心力
图像
r是粒子的径向距离从旋转轴,N是旋转的rpm, Rp是粒子的半径。

二世。B阻力
在流的情况下在一个球体,摩擦阻力和压差阻力(拖)导致总阻力。斯托克斯报道,与小对称流场速度(Re < 0.1),球面上的主导力量是动量方程粘性和惯性项因此可以被忽视。表达式由斯托克斯
图像
在那里,μ是液体的运动粘度材料。众所周知,熔体的粘度增加根据悬浮粒子数的增加。熔体的粘度包含粒子是由[1,2]
图像
图像
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因此,动态方程的粒子
图像
我们正在考虑一个圆柱形模具的直径100毫米。为了理解粒子分布的中心旋转(铸造中心);我们是铸造一个坚实的汽缸。这种考虑消除高旋转速度的必要性,这样我们可以更厚的粒子富裕地区导致更多的功能梯度材料。当粒子触摸墙壁,此刻它停止和粒子的位置是最后的粒子的位置。我们必须找到最终位置上面提到的所有10个粒子从0.005到0.05。粒子在0不会径向移动,因为它不会经历任何离心力。
图像

结果与讨论

III.A。模具旋转速度的影响
浓度梯度在400 rpm模具旋转速度,800 rpm和1200 rpm在MATLAB模拟,结果绘制如下。其他参数的粒子体积分数0.1,凝固速度10微米/秒,40微米的颗粒大小。
图像
从图3中我们可以看到,最终位置粒子的初始位置在0.005过程800 rpm时,给的结果21毫米中心的径向铸造。当我们旋转速度降低50%,即400 rpm,它减少了62%的普及率。当我们增加50%的rpm,它渗透到外围增加57%。这表明这个过程提供了一个很好的控制碳化硅颗粒的分布矩阵。这是由铝的密度比和碳化硅。所以Al-SiC作文很适合成型功能梯度的部分。
虽然看着si c的浓度在不同的径向位置,我们可以看到,在1200 rpm,它太高了在外围,几乎为零附近的中心从中心15毫米。35%以上浓度的SiC wt / wt将导致可怜的微观结构。艾尔矩阵将弱和财产的一部分可能是不可取的。在800 rpm浓度远低于35%,这是允许的。进一步观察浓度的值,我们可以看到,在10毫米深度从外围浓度达到10%,约0.01从中心进一步降至近0%。图上看400 rpm,浓度变化更以线性的方式相比,更高的转速。还在外围的最大浓度仅为15%。10毫米远离中心的3.5%。

III.B。固化速率的影响
凝固速率,随类型的模具材料,模具的层数,对流类型,模具的形状为圆柱形模具等。凝固的速度是假定为常数。它可能会有所不同从9微米/秒到70微米/径向向内,从铸件的外表面。为了了解凝固速率的影响,我们正在考虑2凝固率:10微米/秒和20微米/秒。图所示是在800 rpm模具旋转速度,其他参数之前的情节一样。
图像
从图4中,我们可以观察到,随着凝固速度翻倍,37%减少发生在表面粒子的浓度。有明显减少偏析效应随着凝固速率增加。凝固速度无法控制对一个特定的离心铸造,但冷却速率、绝缘等在这方面可以帮助。

III.C。粒子的初始部分分式融化
最初的部分分式影响熔体的粘度,因此每个粒子对阻力的影响。预期的结果是降低了粒子的分离。也产生了整体浓度增加,这可能是经验丰富的在铸件的厚度。
从图5中我们可以观察到,阻力变化的影响很小,而整个粒子浓度增加。所以我们可以说,最初的粒子浓度双打,整体浓度也会几乎翻了一倍。粘度变化的影响可能会被忽视。其他参数是800 rpm模具旋转速度,40微米粒子大小、10微米/秒凝固率。
图像

结论和未来的增强
模具转速直接影响到粒子浓度梯度,凝固速率。因此都是良好的参数来控制粒子分离。但一旦建立了离心铸造机,固化率难以改变特定的机器,除非它有一些对流控制功能。初始粒子浓度有助于增加粒子浓度在整个铸造但不造成粒子分离。这个模拟的实验验证尚未完成。所需的实验设置搅拌铸造机(为了得到一个统一的混合)和一组立式离心铸造了对流控制。也影响其他参数如模具预热,可以尝试颗粒大小等。

附录
图像

引用
  1. p . Samba湿婆Raju和s . p . Mehrotra IIT坎普尔,印度,数学建模的离心铸造金属基复合材料,材料交易,吉姆,Vol.41, 12路(2000)1626 - 1635页
  2. Prem e . j .先生T.P.D. Rajan, s . Savithri U.T.S.皮拉伊和公元前Pai区域研究实验室,特里凡得琅,印度,理论分析和计算机模拟颗粒梯度分布的离心铸造的功能梯度材料,研究国际研讨会学生材料科学与工程- 12月,2004年,钦奈,India2004。
  3. 爱德华多Trejo伯明翰大学、英国、离心铸造铝合金,博士论文转帖,2011年10月。
  4. 尼古拉斯•Zabaras Lijian棕褐色,伊萨卡康奈尔大学的美国MCWASP、多元合金凝固的微观组织演变的建模使用水平集方法,建模的铸造、焊接和先进Solidifcation过程XI, 2011年12月。
  5. Madhusudhan,原名S, G C Mohan Kumar Nitte米纳克希理工学院,Yelahanka,班加罗尔,离心铸造的属性在不同的旋转速度的死,新兴技术和先进的工程,国际期刊卷3期,2013年1月。
  6. Prem e . j .先生T.P.D. Rajan, s . Savithri U.T.S.皮拉伊和公元前Pai区域研究实验室,特里凡得琅,印度,宏观结构形成的数值模拟在离心铸造颗粒增强金属基复合材料。第1部分:模型描述,研究国际研讨会在材料科学与工程的学生,钦奈,印度,2004年12月20 - 22日。