氧化铝基共晶陶瓷定向凝固过程中的数值模拟

摘要

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。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景及研究意义

1．2 晶体生长过程中数值模拟的相关研究

1．3 定向凝固与共晶生长理论

1．3．1 定向凝固

1．3．2 共晶凝固理论的研究和发展

1．3．3 共晶生长理论模型

1．3．4 共晶凝固尚需研究的主要问题

1．4 氧化物共晶陶瓷特性

1．4．1 氧化物共晶陶瓷

1．4．2 共晶陶瓷的显微结构特征及组织稳定性

1．4．3 共晶陶瓷的制备工艺

1．5 传热传质和流动对晶体生长的影响

1．6 课题研究的主要内容

1．7 有限元法及计算模拟软件的简介

1．7．1 有限元法简介

1．7．2 有限元的主要运算步骤

1．7．3 Marc软件简介

1．7．4 Marc软件的主要组成

1．7．5 Marc软件主要的数值模拟过程

1．8 课题的主要研究内容

第二章 感应区域熔炼法共晶陶瓷定向凝固过程的数理模型

2．1 数学物理模型

2．1．1 模型及条件假设

2．1．2 热传导问题的数学描述

2．1．3 能量控制方程

2．2 动量方程

2．2．1 水冷换热系数的处理

2．2．2 结晶潜热的处理

2．3 材料物性参数

2．4 本章小结

第三章 不同坩埚半径下区熔法共晶陶瓷定向凝固过程的研究

3．1 热量传输及固-液界面

3．2 坩埚半径对晶体质量的影响

3．3 不同坩埚半径下共晶生长过程中的流场

3．4 不同坩埚半径下共晶生长过程中的温度场

3．5 不同坩埚半径对共晶生长过程中固液界面形貌的影响

3．6 本章小结

第四章 ACRT对区熔法共晶陶瓷定向凝固过程的影响

4．1 引言

4．2 共晶生长过程中自然对流形貌的研究

4．3 ACRT过程下的流场变化规律

4．4 ACRT过程对共晶生长过程中固液界面形貌的影响

4．4．1 最大转速对共晶生长过程中固液界面形貌的影响

4．4．2 加速时间对共晶生长过程中固液界面形貌的影响

4．5 本章小结

第五章 重力加速度对区熔法共晶陶瓷定向凝固过程的影响

5．1 引言

5．2 重力加速度对共晶生长过程中温度场的影响

5．3 重力加速度对共晶生长过程中固液界面的影响

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

攻读硕士期间的科研成果

致谢