维告资讯http://www.cqvip.com 第19卷第1期 北京科技大学学报 VoL19 No.I 1997年2月 Journal of University of Sclence and Technology Beijing Feb.1997 雾化喷射沉积成形中沉积体内的凝固过程() 9.23 A1-Cu合金的计算* T99 山1崔华2段先进山孙祖庆2陈国良， 1)北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京100083 2)北京科技大学材料科学与工程学院 摘要根据已知的喷射沉积成形沉积体内的凝固模型、对典型的ACu合金进行了计算分析.结 果表明，工艺参数如沉积速率和沉积时雾化锥的温度)和材料的热物性（如界面换热系数）对沉 积体内的凝固过程有明显影响.在沉积热力学条件（沉积前雾化锥的热力学状态）相同的情况下， 沉积表面的温度随工艺参数和材料热物性发生显著变化， 关键词喷射沉积成形，沉积坯件，凝固分析、A1-Cu合金 凝过程， 中图分类号TG394 铝台金 文献[1]中，作者对喷射沉积成形过程中沉积体内的凝固过程提出了一个理论分析模型， 为了应用该模型处理实际问题，本文选择典型的A1-Cu合金进行计算，并对计算结果进行了 讨论，从中得出了一些对喷射沉积成形过程优化控制有指导意义的结论， 1影响表面温度的因素 表1为计算所采用的典型A-Cū合金的热物性数据及典型的喷射沉积成型工艺. 表1A-Cu合金计算用参数四 参数 数值 参数 数值 密度p/kg·m3 270G 液相线温度T/K 933 液相比热容〔kg·K) 822 固相线温度Ts/K 921 固相比热容cs/J(kg·K) 924 共晶温度T/K 821 液相导热率k/Wm·K) 180.6 凝固潜热Hr/k·kg 395 固相导热率ks/Wm·K) 100.8 热辐射因数σ 0.12 基板温度I。1K 298 金属一气体换热系数h。/Jm2s·℃) 103 表面处雾化锥温度TaK 900 金属一基板换热系数h1小(m2·8·℃) 102 首先考虑不同因素对表面温度T的影响.根据喷射沉积成形的工艺特点可知： TeT显然不符合热力学原则. 根据文献[]中T的计算关系式T=(1+TA1Tp)了p,1(1+A),可以讨论不同参数对 19961125收稿第一作者男39岁救授博上 *倒家自然科学基金资助项目
第19卷 第1期 1997年 2月 北 京 科 技 大 学 学 报 JournalofUntvers ofScienceandTechnoloLvBering VoL19 No．1 Feb． 1997 雾 化 喷射沉积成 形 中沉积体 内的凝 固过程 (II) ． t A1一Cu合金 的计算 张济山 ’ 崔 华 段先进 )五京科拉大摹新金 国家重量实验室，北京100083 了 孙 祖 庆 z 陈 国 良 ，)77／f；：2／ 2】北京科 拉大学材料科学 与工程学 院 摘 要 根 据已知的喷射 沉积成形 沉积体 内的凝 固模型 ，对典型 的 A1．cu台金进行 了计算 分析 ．结 果 表 明，工艺 参数 (如沉 积速率和沉 识 时雾化锥 的温度)和 材料的热物 性 (如界 面换热系数 )对沉 积体 内的凝固过程有 明显 影响 ．在沉积热 力学 条件 (沉积前雾 化锥 的热力学 状态)相同 的情况 下． 沉积表 面 的温度 随工艺参数 和材料热物性 发生 显著变化 ． 苎中国翼分类。．号沉TG394 · 坯，凝固分析， “1u，台金 壤一走星辽。褪一 ， 铭言量 文献 [1]中，作者对喷射沉积成形过程 中沉积体内的凝 固过程提出了一个理论分析模型 ． 为 了应 用 该模 型处 理 实 际 问题 ，本 文 选 择 典型 的 A1．Cu合 金进 行 计 算 ，并 对计 算 结 果进 行 了 讨 论 ，从 中得 出 了一些 对喷 射沉 积 成形 过程 优 化控 制有 指 导意 义的结 论 ． 1影响表面温度 的因素 表 1为计算所采用的典型 A1．Cu合金 的热物性数据及典型的喷射沉积成型工艺 表1 AIoCu台金计算用参数 参数 数 值 参 数 数值 密度D ／kg·m’ 2700 液相 线温度 ，K 933 液 相 比热容 cL，3(kg·K) 822 固相线温度 ／K 921 固相 比热容 cs／J(kg·K)。‘ 924 共晶温度 ，K 821 液 相导热率 n／W(m ·K)。。 1806 凝固潜热 ／kJ·kg 395 固相导热率 ／W(m ·Kr 1008 热辐射因数 口 012 基板温度 To／K 298 金属一气体换热 系数 h。，Jr ·S·℃) l0 表面处雾化锥温度 √ K 900 金属一基板换热系数h／J(m ·8·℃ 10 首先考虑不同因素对表面温度 T 的影响 ．根据喷射沉积成形的工艺特 点可知： 显然不符合热力学原则 ． 根据文献 [1]中 的计算关系式 =(1+ ／ pr日y) ，／(1+ )，可以讨论不同参数对 1996．11-25 收稿 第一作者 胃 39岁 教授 博士 ·国家 自然科学基金 资助 项 目 卜 ‘| 一 维普资讯 http://www.cqvip.com
告讯http://www,cqvip.com Vol.19 No.1 张济山等，雾化沉积成形过程中沉积体内的凝固过程（Ⅱ， *29* 沉积表面温度的影响 1.1表面换热系数h的影响 根据式(1)和表】给出的典型工艺参数、可以确定表面换热系数的取值范围，但在此范围 以外，无法建立合理的喷射沉积成形条件，因而可假设不同的沉积速度R和雾化锥温度 Iy·计算沉积表面温度.其结果如图】所示.可见在喷射成形温度范围内(T~Ty).表面 温度随表面换热系数的增加呈直线降低，它表明要维持一定的沉积表面温度，必须选择适当 的表面冷却方式（包括气体类型、流量和速度等）：要得到较低的表面温度，必须保持较强的冷 却（增加表面换热系数） (a) (b) 900 =900K 900 Tony-900 K 880K 850K 850 850叶 R=50 mm/min 800 ■■ R=20 mm/min 750F 800 50 mm/min 100 mm/min 700 750 0200 6001000 1400 02006001000 1400 hgJ·(m2s·℃) hgJ·(n2·8·℃)l 图1表面换热系数与沉积表面温度的关系()沉积速率变化：(b)雾化锥温度变化) 12雾化锥温度Tpag的影响 工艺参数对沉积表面温度（即对沉积体的质量）有明显影响，见图2，可见，以往采用控制 到达沉积表面时的雾化锥的热力学状态来控制沉积坯件质量的设想似乎有些不妥.因为由图 (a)950 (b)950 液相线温度(T) 液相线温度) 100 900F 900 R=100 mm/min R=50 mm/min 50 mm/min 500 20 mm/min 850 850 1000 h/Jm3·s·Cy 850- 共晶温度(T! 800 共品温度(T) 750 h,=500m·5·℃) 750 840 860880900920 820840860880900920 Too,(K T.mmK 图2雾化锥温度变化对沉积表面温度的影响()表面换热温度变化：b,沉积速率变化) 2可知，即使对相同的雾化锥温度（对应相同的雾化锥热力学状态），工艺条件的变化也可以 使沉积体表面温度发生明显变化，沉积体内的凝固过程及最终的显微组织将取决于表面温 度、而它同沉积体内的温度分布直接相关，所以，应当用沉积体表面温度来表征沉积凝固过 程，即使对相同的雾化锥温度，加强冷却或降低沉积速率均使沉积表面温度降低，在极端条件
VolI9No1 张济 山等 ．雾化沉积歧形过 程中沉积体 内的凝 固过程 (Ⅱ1 ·29· 沉积 表面 温度 的 影 响 1．1 表 面换 热 系 数 h 的影 响 根 据式 (11和 表 l给 出 的典 型工 艺参 数 ，可 以确 定表 面 换热 系 数的 取值 范 围 ，但 在 此 范 围 以外 ，无 法 建 立 合 理 的喷 射 沉 积 成 形 条 件 ，因 而 可假 设 不 同 的沉 积 速 度 和雾 化 锥 温 度 ， 计 算 沉积 表 面温 度 ，其 结 果如 图 l所 示 ．可 见在 喷射 成 形 温 度 范围 内 ( ～ )，表 面 温度随表面换热系数 的增加呈直线降低 ．它表 明要维持 一定的沉积表面温度，必须选择适 当 的表 面冷却 方式 (包 括气 体 类 型 ，流 量 和速 度等 )：要 得 到较 低 的表 面温 度 ，必须 保 持较 强 的冷 却 (增 加表 面换 热 系数 )． hs／J·(m ·s’℃ ) ^g，J·(m ·s·℃)‘‘ 图 1表面换热系数与沉积 表面温度的关系 ((a)沉积速率变化 ；(h)雾化 锥温度变化) 1．2 雾化锥温度 的影响 工 艺参数对沉积表面温度 (即对沉积体的质量)有明显影响，见圉 2．可见，以往采用控制 到达沉积表面时的雾化锥 的热力学状态来控制沉积坯件质量 的设想似乎有些不妥 ．因为由圉 ，K ／K 图 2雾化锥温 度变化 对沉积表面温度 的影 响 ((a)表面换 热温 度变化；(b)沉积 速率 变化 ) 2可知，即使对相同的雾化锥温度 (对应相同 的雾 化锥热 力学状态)，工艺条件的变化 电可 使 沉 积 体 表 面温 度 发生 明 变 化 ．沉 积体 内的凝 固过 程 及 最 终 的 显微 组 织 将 取 决 于 表 面温 度 而 它 同沉 积 体 内 的温 度分 布直 接 相 关 ，所 以，应 当用 沉积 体 表 面 温度 来 表 征 沉 积 凝 固过 程 ．即使对相 同的雾化锥温度 ，加强冷却或降低沉积速率均使沉积表面温度降低，在极端条件 维普资讯 http://www.cqvip.com
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普讯http://www.cqvip.com VoL.19 No.I 张济山等：雾化沉积成形过程中缸积体内的凝固过程：Ⅱ) ·31· 由文献[1]可以求出S。~t的关系为： S、=VL哈+4a-Lm (2) 22二相区宽度的计算 根据以上结果，可以计算二相区的宽度： S-Ss Rt-Ss (3) 其中，R为沉积速率，图5为计算结果，值得注意的是当沉积速率较低时，由于表面冷却较快、 表面温度实际上已经降低到共晶温度以下、所以图中二相区宽度为负值的区域实际上表示无 被相的区域，这是喷射沉积成形过程中经常发生的现象，随着金属不断沉积，表面温度逐渐提 高到共晶温度以上，开始形成二相区，而且二相区的宽度不断增加，只有在适当控制沉积条件 时、才能保证开始时既形成二相区（如提高喷射速率或适当提高基板温度），减少沉积坯件起 始部分的疏松，提高坯件的收得率.在沉积型材（如板坯或管坯）时.这一点更为重要. 2.3基板一沉积体界面处温度的计算 图6为基板一沉积体界面处的温度随时间的变化.随沉积过程不断进行.基板一沉积体 界面处的温度不断降低，这是基板导热降温的结果.在沉积开始时，基板界面温度的降低较快 (尤其是当凝固因数中，较大时).随后变化逐渐趋缓，并接近某一定值、 900 500 中112 R/m由·mn' 800 05 400 80 700 0.8 目30 60 600 5200 1.2 50 500 100 0 400 15 按 20 0 300 0 46 8 10 0 2 46 810 沉积时间mn 沉积时间min 图5沉积还件中二相区宽度的计算结果 图6基板一沉积体界面处的温度随凝固时间的变化 2.4沉积体温度分布的计算 图7为沉积体内完整的温度分布， 根据沉积体内的温度分布，可以很容易地求出沉积体内的冷却速度、凝固速度和温度梯 度的分布.由文献[1]可知，沉积体内的冷却速度为： 4a T-Ts) Cix+Lo x+L)2 exp t、 (4) 1-e (亿+4a,pi L+4,t
Vo1．19 Nol 张济 山等 ：雾化沉积成形过 程中牡积体内的凝 固过程tⅡ、 ·31． 由文献 [1]口T以求出 Ss～ t的关系为：。 。。 。。 。 。 。。 。。 。。 。。。 。 ‘ 一 S=√，+4n f一，o 2．2 二相区宽度的计算 根 据 以上 结果 ，可 计 算二 相 区的 宽度 ： 一 是 —Ss (3) 其 中 ， 为 沉积 速 率 ．图 5为计算 结 果 ．值得 注意 的 是 当沉 积 速率 较低 时 ，由于 表 面冷 却 较快 ， 表面 温度 实 际上 已经 降低 到共 晶温 度 下 ．所 以 图中二 相 区宽 度 为负值 的 区域 实 际上 表示 无 液相的区域，这是喷射沉积成形过程 中经常发生的现象 ．随着金属不断沉积，表面温度逐渐提 高到共 晶温度 以上，开始形 成二 相 区 ，而且 二相 区的 宽度不 断增 加 ．只有 在 适 当控 制沉 积条 件 时，才能保证开始时既形成二相 区(如提 高喷射速率或适 当提高基板温度)，减少沉积坯件起 始部分的疏松 ，提高坯件的收得率 ．在沉积型材 (如板坯或管坯)时，这一点更为重要 ． 2,3 基板一沉积体界面处温度的计算 图 6为基 板一 沉 积 体 界 面处 的 温度 随 时间的 变化 ．随沉 积 过 程不 断进 行 ，基 板一 沉积 体 界面处的温度不断降低 ，这是基板 导热降温的结果 ．在沉积开始时．基板界面温度的降低较快 (尤其是 当凝 固因数 较大时)．随后变化逐渐趋缓，并接近某一定值 ． 沉积时 间／miⅡ 沉 积时间／min 图 5沉积坯件 中二相区宽度的计算结果 图 6基板一沉积体界 面处 的温 度随凝固时问的变化 2,4 沉积体温度分布的计算 图 7为沉积体内完整的温度分布 ． 根据 沉 积体 内的温 度 分 布 ，可 以很 容 易地 求 出沉 积 体 内的冷 却 速度 、凝 固 速度 和 温 度梯 度 的分布 ．由文 献 【1]可知，沉 积体 内的冷 却 速度 为 ： a af 竺 二 暑)] 唧 + 一 一犯 维普资讯 http://www.cqvip.com
告瓷讯htp://www,cqvip.com ·32 北京科技大学学报 1997年第1期 式中的负号表示为降温过程，计算结果见图8.可见、在固液二相区内冷却速度很低，仅为 1Ks左右，而且在接近沉积表面时几乎为0，这同文献[3]用数值分析得出的结果相近，也说 明这里提出的分析模型是可靠的， 由文献]还可计算沉积体内固液二相区中的温度梯度分布： 2B1C2 exp +L)2 (5) Vπ(L,+Ss) 。+S 图9为计算结果，在固液界面一侧温度梯度较高，而在接近沉积表面时，温度梯度几乎接近0， 由文献[]可以得出沉积体内的凝固速度（固液界面的推移速度）为： dss 2a y=dt (6) VL日+4aφt 图10为计算结果.可见，凝固速度开始时降低较快，随沉积过程的进行，凝固速度逐渐降低， 并趋于常量 900 0.7 时间mn 0.6 800 T西 Ss im 0.5 700 0.4 600 0.3 500 固液界面位置 0.2 400 0.1 300 0 0.2 0 0.20.40.60.8 1.0 0.20.4 0.6 0.8 沉积坯厚度mm 离开固液界面的距离m 图7沉积体内的温度分布 图8 沉积体内固液二相区中的冷却速度分布 12 90 1mm 80 10 2 mm 3 mm 55 wo.x/(elle) 5 mm 60k 40 接 0 0 00.10.20.30.40.50.60.7 0 100200300400500600 离开固液界面距离m tfs 图9沉积体内固液二相区中的温度梯度分布 图10沉积体内的凝固速度随沉积时间的变化
大 学 学 报 1997年 第 1,N 式 中 的 负 号表 示 为 降 温 过 程 ．计算 结 果见 图 8．可 见 ，在 固 液 二 相 区 内冷 却 速 度 很低 ，仅 为 1K／s左 右 ，而 且 在 接 近沉 积 表 面 时几 乎 为 0，这 同文 献 [3】用 数 值 分 析得 出的结 果 相 近 ，也说 图 9为计 算结 果 ．在 固 警 液 ： 界 面一 侧温 度梯 度 较高 ，而 在接 近 沉积 表 面 ] 时，温 度梯 度几 乎接 近 ㈣ 0． ： ： 一 v —√ +4a一 (6)， 。卵 图 10为 计算 结 果 ．可 见 ，凝 固速 度开 始 时 降低 较 快 ，随沉 积 过 程的 进 行 ，凝 固 速度 逐渐 降低 ， 隶 赠 沉 积坯 厚度／mm 囤 7 沉积 体 内的温度 分布 离开固液界面距 离 ，rfl 囤 9沉积 体内固液二相区 中的温 度梯 度分布 哥 E 昌 ● E 昌 制 卫 离 开 固 液 界 面 的 距 离 圉 8 沉积体 内固液 二相 区中的冷却速度分布 囤 l0沉积体 内的凝固速度随沉积时 间的变化 维普资讯 http://www.cqvip.com
拉告资讯http://www,cqvip..com Vol.19 No.I 张济山等：雾化沉积成形过程中沉积体内的凝固过程Ⅱ) 33· 3结论 ()沉积表面温度除受雾化锥在沉积表面处的热力学状态影响外，还受到其他因素（如沉 积速率和表面换热系数等)的影响.所以，沉积表面温度可以作为综合反映喷射沉积成形状态 的因素，取代沉积表面雾化锥的热力学状态（或雾化锥温度），作为控制沉积过程的参数， (2)计算结果表明，在沉积开始时易于形成无液相区，影响沉积坯件的完整性.为克服这 一问题可适当提高表面温度（如加热基板）或提高沉积速率，以减少或消除无液相区. (3)沉积体内的冷却速度仅为1Ks数量级，说明沉积后的凝固过程进行的较慢.快速凝 固组织特征的获得主要取决于到达基板前的冷却过程，这一结果同实验及数值模拟的结果一 致. 参考文献 1张济山，崔华.段先进，孙扭庆.陈国良，北京科技大学学报，1997,19(1)：22 2 Perry P H.Chilton C H.Chem Eng Handbook.6th ed.New York:MeGraw-Hill,1987.23 3 Mahur P,Appelian D.Lawley A.Acta Metall,1989,37:429 Analysis of Solidification Behavior in Spray Deposited Preform (ID -Calculation Results for Al-Cu Alloy Zhang Jishan Cui Hua Duan Xianjin)Sun Zuqing?Chen Guoliang 2 1)State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials,UST Beijing.Beijing 100083.China 2)Matenal Science Engineering School,UST Beijing ABSTRACT According to the solidification model in the spray formed preform,the solidification behavior of typical Al-Cu alloy is calculated and discussed.The result shows that processing parameters such as deposition rate and spray temperature at deposi- tion.and material thermal physical properties such as surface heat transfer coefficient have apparent effects on solidification process in preform.Under the same deposition ther- modynamic state just before the spray cone depositing on the surface of the preform. temperature of deposition surface varys significantly as the processing parameters and mate- rial thermal physical properties change. KEY WORDS spray forming.deposition preform,solidification,Al-Cu alloy
Vo1．19Nol 张济 山等 ：雾化沉积成形 过程 中沉 积体 内的凝固过程fⅡ) ·33· 3 结论 (1)沉 积表 面 温度 除受 雾 化锥 在 沉积表 面处 的热 力学 状 态影 响外 ，还 受到 其 他 因素 (如 沉 积速率和表 面换热系数等)的影响．所 以，沉积表面温度可以作为综合反映喷射沉积成 形状态 的因 素 ，取 代 沉积 表面 雾化 锥 的热 力 学状 态 (或雾 化锥 温度 )，作 为控制 沉 积过 程 的参数 ． (2)计算结果表 明，在沉积开始时易于形成无液相 区，影响沉积坯件 的完整性 ．为克服 这 一 问题 可 适 当提 高表 面温 度 (如加 热基 板 )或提 高 沉积 速率 ，以减 少或 消 除无 液相 区 ． (3)沉积体 内的冷却速度仅为 lK／s数量级，说明沉积后的凝固过 程进行的较慢 ．快速凝 固组织特征的获得主要取决于到达基板前 的冷 却过程 ．这一结果 同实验及数值模拟的结果一 致 ． 参 考 文 献 l张济 山，崔华 ，段先进 ，孙祖庆 ．陈国 良 北 京科 技大学学报，1997，l9(I)：22 2 Percy P H， Ch／lton C H Chem Eng Handbook，6th ed．New York：M cGraw -Hill， 1987 23 3 M ahur P，Appelian D，Lawley A．Acta M etall， 1989，37： 429 AnalysisofSolidificationBehaviorin SprayDepositedPreform (If) — — — — — — — Calculation Results forA1一Cu Alloy Zhang Jishan CuiHua DuanXianfin’ Sun Zuqin Chert Guoliang 11StateKeyLaboratoryforAdvanced Metalsand Materials，USTBeijing，Beijing 100083，China 2)MaterialScienceEngineeringSchool，UST Beijing ABSTRACT According to the solidification model in the spray form ed preform ， th e solidification behavior of typical A1-Cu alloy is calculated and discussed． The result shows th at processing parameters such as deposition rate an d spray temperature at deposi· tion． an d m aterial th ermal physical properties such as surface heat transfer coefi cient have apparent efects on solidification process in preform Under th e same deposition thormodynamic statejustbefore the spray code depositing on the surfaceofthepreform， temperature of deposition surface varys significan tly as the processing param eters an d materialtherm alphysicalproperties chan ge KEY W ORDS spray form ing， deposition preform ，solidification，AI-Cu alloy 维普资讯 http://www.cqvip.com