D0I:10.13374/i.issm1001053x.2003.05.037 第25卷第5期 北京科技大学学报 Vol.25 No.5 2003年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2003 喷射沉积Si-AI合金的数值模拟结果与分析 陈美英杨滨张济山 北京科技入学新金属材料国家重点实验室，北京100083 摘要采用热辐射修正，模拟了喷射沉积Si-A1合金的凝固过程，研究了熔滴的速度、热交 换作用系数、温度、熔滴冷却速度及固相分数与沉积距离的关系，讨论了辐射相修正前后熔 滴的温度和固相分数的变化以及雾化压力和沉积距离对时相分数的能响. 关键词S-Al合金：喷射成形：数值模拟：凝固分析 分类号TG146 Si-A1合金系列材料能够充分兼顾先进电子 成形过程中多相流流动特性，雾化熔滴与雾化介 封装对材料热膨胀系数匹配、散热性能和密度这 质及沉积系统之间热量与动量传输规律进行了 三大性能的要求，具有良好的综合性能优势.同 系统的研究.利用有关喷射成形过程研究得出的 时也具有良好的可加工性、易涂装性和可焊接性 理论模型或经验关系式”，对雾化时的气体流 等封装工艺性能.通过采用先进的喷射成形技 场、雾化颗粒尺寸分布、金属颗粒速度变化规律 术制备Si-A!合金，能够有效地解决传统铸造方 的两相流颗粒传热和沉积坯中的传热与凝固过 法制备引起的S析出相颗粒长大和偏析造成的 程进行了分析. 材料脆性及其他性能降低的问题， 喷射成形工艺过程涉及多个工艺参量，这些 1研究方法 参量之间交互作用复杂，很难直接预测最终沉积 计算采用的热物性参数见表1.采用数值计 坯质量.国内外学者曾多次采用建立近似模型的 算的方法，以10m为间隔，分别计算尺寸在 方法来模拟这一过程，但它们一般针对的是低熔 10-300μm之间熔滴的温度、固相分数在热辐射 点合金，且在金属熔滴的雾化飞行过程中忽略了 相修正前后的变化，以及熔滴的速度、热交换作 热辐射散热.本文通过采用理论分析与实验研究 用系数、温度、熔滴冷却速度及固相分数随沉积 相结合的方法，对高熔点合金(Si-A1合金)喷射 距离的变化情况 表1一些相关的基本工艺参数及物性参数 Table 1 Some basic processing parameters and physical properties 凝固潜热 热膨胀系数 元素 H/(J-g) CET/K- 熔点K共品温度K液相线温度K热容0：moK)兮热系数wmK C Co K K. AL 387 (22-24)×10-6 933 850 1500 31.7533.73111 208 Si 1809 (2.3-4.3)×10 1687 850 1500 27.2029.20 22.1 83.3 2数值模拟结果及分析 从图2(a)可以发现，雾化气体的速度在雾化 室中单调减小，对不同尺寸的雾化液滴，其速度 从图1的计算可以看出，当沉积体较大时，热 与距离之间的变化规律相似.因熔滴的初始速度 父换除了沿厚度方向按热传导方式进行外，侧表 很小，不同尺寸的熔滴将在雾化气体的作用下首 面的辐射散热作用是不容忽略的，这种作用对大 先被加速至最大速度，而后，由于二者速度的差 尺寸熔滴的影响更为明显， 异使得雾化气体对雾化液滴产生拖曳作用，因此 收稿日期2002-12-17陈美英女，29岁，硕t 雾化液滴的速度又逐渐减小.雾化液滴的尺寸越 ★北京市自然科学基金资助项目
第 2 5 卷 第 5 期 2 00 3 年 1 0 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n vi e r s iyt o f S c i e n e e a n d Te e h n o l o yg B e ij in g 、 勺l 一 2 5 N 0 . 5 o c t . 2 0 0 3 喷射沉积 5 1, A I 合金 的数值模拟结果 与分析 陈 美英 杨 滨 张 济 山 北京科 技大学 新金 属材 料 国家重 点实验 室 , 北京 10 0 0 8 3 摘 要 采用 热 辐射 修正 , 模拟 了喷射 沉 积 5 1盛l 合金 的凝 固过程 , 研究 了熔 滴 的速度 、 热交 换 作用 系数 、 温度 、 熔滴 冷却速 度 及 固相分 数与沉 积 距离 的关 系 , 讨 论 了辐射 相修 正 前 后熔 滴 的温 度和 固相 分数 的变 化 以及 雾化 庄 力和沉 积距 离 对 固相分数 的影响 . 关键 词 5 1从1 合金 ; 喷射成 形 ; 数 值 模拟 ; 凝 固分析 分 类号 T G 14 6 iS - A l 合金 系 列材 料 能够 充 分 兼顾 先进 电子 封 装对材 料 热膨胀 系 数 匹 配 、 散 热性 能和 密度 这 三 大性 能 的要 求 , 具有 良好 的综 合性 能优 势 . 同 时 也具有 良好 的可加 工性 、 易涂装 性和 可焊 接 性 等封 装工 艺 性能`团 . 通 过采用 先进 的 喷射成 形 技 术制 备 5 1液1合 金 , 能 够 有效 地解 决传 统铸 造 方 法制 备 引起 的 iS 析 出相颗 粒 长 大和 偏 析造 成 的 材料 脆性 及 其 他性 能 降低 的 问题 . 喷 射 成形 工 艺过 程涉 及 多个 工 艺参 量 , 这 些 参量 之 间交 互作用 复 杂 , 很难 直接 预测 最 终沉 积 坯质 量 . 国 内外 学者 曾 多次采 用建 立近 似模 型 的 方法 来模 拟这 一过 程 , 但 它们 一般 针对 的是 低熔 点合金 , 且在 金属 熔滴 的雾化 飞 行 过程 中忽 略 了 热辐射散 热 . 本文 通过 采用理 论分 析与 实验 研 究 相结 合 的方 法 , 对 高熔 点合 金 (S i 一 A l 合 金 ) 喷射 成 形过 程 中多相 流流 动特 性 、 雾 化熔滴 与雾化 介 质 及 沉积 系 统 之 间 热 量与 动 量 传 输 规律 进 行 了 系 统 的研 究 . 利 用有 关喷 射成 形过 程 研究 得 出的 理 论模 型 或经 验 关系 式 `5一 7 , , 对 雾化 时 的气 体流 场 、 雾化 颗粒 尺 寸 分布 、 金属 颗 粒速 度 变化 规 律 的两 相流 颗 粒 传 热和 沉 积 坯 中 的 传热 与 凝 固 过 程进 行 了分析 . 1 研 究方 法 计 一 算 采 用 的热物 性 参 数见 表 1 . 采 用数 值计 算 的方 法 , 以 10 林m 为 间隔 , 分 别计 算 尺 寸在 10 一 30 0 脚 之 间熔 滴 的温 度 、 固相 分 数在 热辐 射 相修 正 前 后的 变化 , 以及 熔 滴 的速 度 、 热交 换作 用 系数 、 温 度 、 熔 滴 冷 却速 度 及 固相 分 数随 沉积 距离 的变化 情 况 . 表 1 一 些相 关的基 本 工艺 参数 及 物性 参数 aT b l e 1 S o m e b a s i e Por e e s s in g P a ar m e t e sr a n d Ph y s i e a l Por P e r t ies 儿 素 凝固 潜热 挤 /(J · g 一 ’ ) 热 膨胀 系 数 C E T /K 一 ’ (2 2一 2 4 ) x 10 一 ` ( 2 . 3一 4 . 3 ) ` 10 一 6 熔 点服 共 品温 度般 液相 线温 度服 热容 / (J · m o l 一 ’ · K 一 ’ ) 孚热 系数 /(W · m 一 ’ · K 一 ’ ) 二 , , 二 . 。 K , 戈 3 8 7 1 8 0 9 9 3 3 1 6 8 7 8 5 0 8 5 0 5 0 0 5 0 0 3 1 . 7 5 27 . 2 0 3 3 . 7 3 2 9 . 2 0 1 1 1 2 2 . 1 2 0 8 8 3 . 3 AS 2 数 值模 拟结 果 及 分析 从 图 1 的计 算可 以看 出 , 当沉积 体较 大 时 , 热 交 换 除 了沿 厚 度 方 向按热 传 导 方式进 行 外 , 侧 表 面的辐 射 散热 作用 是 不容 忽 略 的 , 这种 作用 对 大 尺 寸熔 滴 的影 响 更 为 明显 . 收稿 日 期 2 0 0 2 一 12 一 17 陈 美英 女 , 29 岁 , 硕 玉 * 北 京市 自然科 学基 金资 助项 目 从 图 2 (a) 可 以发现 , 雾 化气 体 的速 度 在雾 化 室 中单调 减 小 , 对 不 同尺 寸 的雾 化 液滴 , 其速 度 与距 离之 间 的变 化规 律相 似 . 因熔 滴 的初 始速 度 很 小 , 不 同尺 寸 的熔 滴将 在 雾化 气 体 的作 用下 首 先 被加 速 至最 大 速度 , 而 后 , 由于 二者 速度 的差 异 使得 雾 化气 体对 雾 化液 滴 产 生拖 曳作 用 , 因此 雾 化液 滴 的速 度 又逐 渐减 小 . 雾 化液 滴 的 尺寸越 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2003. 05. 037
Vol.25 No.5 陈美英等：喷射沉积SiA!合金的数值模拟结果与分析 ·429· 1600 300m (a) (b) 1400 250 0.8 /20μm 100um 30m 50m 1200 0.6 80m 1000 100n 期 800 20山m 30m 50m 星0 150m 600 0.2 200um- 250m 400 10m -300m 200 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 轴向距离/m 轴向速度m 图1S-Al熔滴温度(a),固相分数(b)随轴向距离的变化（雾化压力为0.8MP,虚线、实线分别为辐射相修正前后） Fig.1 Calculated temperature for Si-Al droplets (a)and solid fraction(b)as a function of axial distance and droplet size. The atomization pressure is 0.8 MPa.Dash and solid lines represent before and after heat radintion is consided in the cal- culated results,respectively 140 10m (a) 30 (b) 120 25 100 50 um- 日· 0 80 80 Hn 00 Hm 15 10m 60 150 um 300 % 0 204m30m 20 50m88 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 轴向距离m 轴向距离m 1600 300m250n) 10 (d) 1400 门004m 150m20m 1200 10 1000 % 20 30m 50m 600 10 um 400 200 10L 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 0.1 0.20.3 0.40.5 轴向距离m 轴向距离m 1.0 ,20um (e) 图2当雾化压力为0.8MPa熔体过热100K时，轴向气 0.8 /30um 流速度及合金熔滴速度（⑧），热交换系数()，合金熔滴温 50μm 度(c),冷却速度(d,合金固相分数(e)随轴向距离的变化 0.6 尔 Fig.2 Calculated axial velocity(a),heat transfer coefficient 0.4 80T 100m 150m (b),droplet temperature (c),cooling velocity (d),and soliod fraction for Si-Al droplets as a function of axial distance 0.2 200um250m- under an atmization preesure of 0.8 MPa at a superheat of 300μm 100K 0.1 0.203 0.4 0.5 轴向速度/m 小，达到最大速度时所飞行的距离就越短，其速 个结果与一维定常数固气两相流的动力学规律 度的峰值越大：在雾化液滴速度衰减阶段，由于 相符，在液滴速度达到的峰值处，液滴与气体的 尺寸大的雾化液滴的惯性大，因此大尺寸的雾化 相对速度最低，即交互作用最弱，从而得出此处 液滴的速度衰减速率要小于小尺寸的雾化液滴， 的热交换系数最小，如图2(b) 这也反映了小尺寸液滴对气体的跟随性很好，这 分别改变初始雾化压力0.6,0.8及1.0MPa,对
V匕1 , 2 5 N o . 5 陈美 英等 : 喷射 沉 积 is 爪l 合金 的数 值 模拟 结 果与 分析 · 4 2 9 · 二0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 缄籍众回 行呀避 6 0 0 4 0 0 20 0 00 0 8 0 0 6 0 0 4 0 0 2 0 0 价扮 一 30 二 (a) 七卜 竺亡 : 加 · 扁丽 r 行泞节 丫 咬 ” 弓朴, ” 、明 认 , 丫 万丫 , 蔺芍 1节 , 一 J盈 , , 气侣 2 5 U 幼厅胜芬 一, ~ ~一 ~ - - - , . 不. , . 经侧明 0 0 0 . 2 0 . 3 0 4 0 . 5 轴 向距离 /m 轴 向速度lm 图 1 5 1一 A I 熔 滴温 度 (a) , 固相 分数 (b) 随 轴 向距 离的 变化 ( 雾化 压 力为 0 .S M p a , 虚线 、 实 线 分别 为辐 射相 修 正前 后 ) F i g . l C a l e u la t e d t e m P e r a t u r e fo r 5 1 - A l d or P l e t s a( ) a n d s o l id fr a c t io n ( b ) a s a fu n e it o n o f a x i a l d is t a n c e a n d d or P l e t s 往e · T h e a ot m 让a it o n P er s s u er 1 5 0 · 8 M P a . D a s b a n d s o ild li n e s er P代 s e n t b e fo er a n d a fet r h e a t r a d i n t io n 1 5 e o n s i d e d i n t h e e a l · e u l a t e d r e s u lt s , er s Pe e t i v e ly 14 0 ~ 1 2 0 1 0 林m ( b ) 珊 p U互 0 0 画 nUnOC 0 一城ù 6 浦, ù J 侧且、瑕但撰, 2 0 州0 . 4 0 5 10 料m 一 2 0 p m 3 0 林m 5 0 p m 梦品监币 二箭蔽 J 一 一 - _ ` U U J幼】1 厂 认匕二乡 一 J U U 林m O 气哎CUJ O 咬口 0 门j Z 山,, l ù l ǎ 一闰 · 名à戴瞒拟纂沙、日 0 0 0 . 2 0 . 3 轴 向距 离 /m ǎ 一. 5 · 匕、侧脚录女 ’ 6 0 0潺二二 ’ 4 0 0阶才 \ 兰 ` 2 0 0「}\ \ 谴 ’ ” 8 o 0 0「\犯 ) \ ’ 。 6 0 0 卜 1。诚 3 00 脚 n 2 5 0 林m 赢趋吓 理 0 0 0 10 6 「一一 — 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 轴 向距 离 /m ( d ) 10 5 pm 协】们 10 4 4 0 0 2 0 0 ù一、飞 0 O 一ne 20 p m 0 . 8 0 . 2 0 . 3 0 . 4 轴 向距 离 m/ 色笠一匹 80 林m 1丽诗 / 爪晶 二 而二 万乏死应 10 3 L 一一一一曰一一一一一沽一一一一 0 0 . 1 0 . 2 0 3 0 . 4 0 . 5 轴 向距 离 m/ 图 2 当雾 化压 力 为 .0 8 M P a 熔体 过 热 10 K 时 , 轴 向气 流速 度 及合 金熔 滴速 度 a( ) , 热交 换 系数 ( b ) ,合 金 熔滴 温 度 ( c) ,冷却 速度 d( ) ,合金 固相分 数e() 随 轴 向距离 的变 化 F ig . 2 C a l c u l a t e d a x is l v e l o e i yt ( a ) , h e a t t r a n s fe r e o e if c i e n t ( b ) , d or Pl e t t e m P e r a t u er ( e ) , e o o li n g v e l o e iyt ( d ) , a n d s o li o d fr a e t i o n fo r S i- A I d or P l e st a s a fu n e t i o n o f a x i a l d i s at n e e u o d e r a n a t m 往a t i o n P er e s u er o f o · S M P a a t a s u p e r b e a t o f 1 00 K 6 n目U `月f, 氧求黑园 0 3 0 0 料m 0 理竺二se 一 一一- ` ` 目 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 轴 向速度 /m 小 , 达 到最 大速 度时 所 飞行 的距 离 就 越 短 , 其 速 度 的 峰值越 大 ; 在 雾化 液 滴速 度 衰 减 阶段 , 由于 尺 寸大 的雾 化液 滴 的惯 性大 , 因此 大尺 寸 的雾 化 液 滴 的速度 衰 减速 率要 小于 小 尺寸 的雾 化 液滴 , 这 也 反映 了小 尺寸 液滴 对气 体 的跟 随性 很 好 , 这 个 结 果 与 一 维 定 常 数 固气 两 相 流 的动 力 学 规 律 相 符 . 在 液 滴 速度 达 到 的 峰值 处 , 液 滴与 气 体 的 相 对速 度 最 低 , 即交 互 作 用最 弱 , 从 而得 出此 处 的热 交换系 数 最 小 , 如 图 2 (b) . 分 别 改变 初 始雾 化 压力 .0 6, .0 8及 1 . o M P a , 对
·430- 北京科技大学学报 2003年第5期 尺寸为50μm的熔滴进行计算，讨论两种操作参 著加快液滴的飞行速度，缩短到达基板的时间， 数对以上各参数的影响，计算结果见图3.从图2 提高雾化压力这一参数涉及到提高气体与液滴 (b)和图3(b)可以直观看到，由于相对速度的影 的交换作用程度以及缩短到达基板的时间两种 响，在相应的位置区间内，对流换热系数不同程 作用，因此不能定性的确定改参数对液滴凝固过 度地随着运动距离单调变化，液滴尺寸越小或雾 程的影响. 化压力越大，产生的换热系数越大.这就是增大 图3(d中的结果对喷射沉积过程而言具有重 雾化压力也可以增加冷却速度以及尺寸较小的 要的意义.对于单-一尺寸的液滴，提高雾化气体 液漓具有较大冷却速度的根本原因， 的压力在整体结果是减缓了凝固过程，降低了固 液滴在运动过程中的温度、固相分数以及冷 相分数，这主要是由于气体流速增加使得不同尺 却速度随距离的变化关系示于图2，图3（©），(d).雾 寸的液滴更快地到达基板，而其凝固过程未能充 化液滴的冷却速率总体上遵循先降一后升一再 分进行.其实，这一点从图2(b)中也可以得到解 降的规律.在液相阶段，雾化液滴的冷却速率极 释，即雾化压力的改变对h值的提升并不十分 高，可以达到10数量级，并随着飞行距离的增加 明显， 而急剧降低：在再辉阶段，由于雾化液滴的温度 总之，从图13中得知，随沉积距离的延长， 升高，因此冷却速率变为负值，再辉结束时，冷却 对于所有尺寸的液滴，沉积结束使温度降低，固 速米又回升为正值：再辉结束后到共晶阶段，雾 相分数提高.在喷射沉积工艺中，沉积前瞬间雾 化液滴的冷却速率呈现降低一升高一降低的规 化锥内的固相分数大小对沉积质量至关重要，整 律，当雾化液滴发生共晶凝固时，冷却速率降为 体的固相分数是整个尺寸茫围内液滴的固相分 0:雾化液滴完全凝固后，冷却速率继续降低.不 数统计结果，即 同尺寸的液滴凝固过程各不相同，小尺寸的液滴 =["P(d)f(d)d(Ind). 比大尺寸的液滴冷却过程更短，冷却速度更快 式中，P八d为尺寸分布函数，f八d)为相应尺寸的固 从图3(a)中的速度曲线可以明显得知，提高 相分数，雾化锥内整体固相分数由P(d)和八d共 雾化气体的压力（提高雾化气体出口速度）将显 同决定， 0.8 MPa 1.0 MPa (a) 16 (b) 80 0.6 MPa 60 1.0 MPa 40 0.8 MPa 解 20 0.6 MPa 举 4 0 转 0 0 0.1 0.20.3 0.4 0.5 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 轴向距离m 轴向离m 1600 (c) (d) 1400 1.0 MPa 0.8 0.6 MPa 0.8 MPa 1200 0.8 MPa 滋0.6 1000 明 盖o4 1.0 MPa 800 0.6 MPa 0.2 600 400 0 0 0.1 0.2 0.30.4 0.5 0 0.1 0.20.30.40.5 轴向距离m 轴向距离m 图3初始气流速度分别为128,155,162ms,熔体过热为100K时轴向气流速度()，热交换系数(b),合金熔滴温度 (c),合金固相分数(d)沿轴向距离的变化 Fig.3 Calculated gas axial velocity(a),heat transfer coefficient(b),droplet temperature(c),and solid fraction as a function of axial distance when the superheat is 100K and the velocity of atomization gas at the nozzle throat is 128,155,162 m/s, respectively
一 4 3 0 - 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 3 年 第 5 期 尺寸 为 5 0 阿 的熔 滴进 行计 算 , 讨 论 两种 操作 参 数对 以上 各 参数 的 影响 , 计 算 结果 见 图 3 . 从 图 2 (b ) 和 图 3 ( b) 可 以直 观看 到 , 由于 相对 速 度 的影 响 , 在 相应 的位 置 区间 内 , 对流 换 热 系数 不 同程 度 地 随着运 动距 离 单调 变化 , 液 滴 尺寸越 小 或雾 化 压 力越 大 , 产 生 的换热 系 数越 大 . 这 就 是增 大 雾化 压 力 也 可 以增 加 冷 却速 度 以及 尺 寸较 小 的 液 滴 具有 较 大冷 却速 度 的 根本 原 因!引 . 液 滴在 运动 过 程 中 的温 度 、 固相 分数 以及 冷 却速度 随 距 离 的变 化 关 系示 于 图 2 , 图 3( c), (d) , 雾 化 液 滴 的冷 却速 率 总 体 上遵 循 先 降一后 升 一再 降的 规律 . 在液 相 阶段 , 雾 化液 滴 的冷 却速 率 极 高 , 可 以达 到 10 , 数量 级 , 并 随着 飞行 距离 的增 加 而 急 剧 降低 : 在 再 辉 阶段 , 由于雾 化 液滴 的温 度 升高 , 因此 冷 却速率 变 为 负值 , 再辉 结束 时 , 冷却 速 率 又 回升 一 为 正值 : 再辉 结 束后 到 共 晶阶 段 , 雾 化 液 滴 的冷 却速 率 呈 现 降低 一升 高一 降低 的规 律 , 当 雾化 液滴 发 生 共 晶凝 固 时 , 冷 却速 率 降 为 0 ; 雾化 液 滴 完全 凝 固后 , 冷 却速 率 继 续 降低 . 不 同尺 寸 的液滴 凝 固过 程各 不相 同 , 小尺 寸 的液 滴 比大 尺 寸 的液 滴冷 却 过程 更 短 , 冷 却速 度 更 快 . 从 图 3( a) 中 的速 度 曲线可 以 明显得 知 , 提 高 雾化 气体 的压 力 ( 提 高 雾化 气体 出 口 速 度 ) 将 显 著加 快液 滴 的 飞行 速度 , 缩 短到 达 基板 的时 间 . 提 高雾 化 压 力这 一 参 数涉 及 到 提 高 气 体 与液 滴 的交 换 作 用程 度 以及 缩 短 到达 基 板 的 时 间两 种 作用 , 因 此不 能定 性 的确 定改参 数对 液 滴凝 固过 程 的影 响 . 图 3( d) 中 的结果对 喷射 沉积 过程 而 言具 有重 要 的意义 . 对 于 单 一尺 寸 的 液滴 , 提 高雾 化气 体 的压 力在 整体 结果 是减 缓 了凝 固过程 , 降低 了固 相分 数 . 这主 要是 由于 气体 流速 增加 使 得不 同尺 寸 的液 滴 更快 地到 达基 板 , 而其 凝 固过 程未 能充 分进 行 . 其 实 , 这 一 点 从 图 2 (b) 中也 可 以得 到解 释 , 即雾 化 压 力 的 改 变 对 h 值 的提 升 并 不 十 分 明显 . 总之 , 从 图 1一3 中得 知 , 随沉 积 跟 离 的延 长 , 对 于 所 有尺 寸 的液 滴 , 沉 积 结 束使 温度 降低 , 固 相分 数提 高 . 在 喷射 沉积 工 艺 中 , 沉 积前 瞬 间雾 化锥 内的固相 分数 大 小对沉 积质 量 至关 重要 . 整 体 的 固相 分 数 是整 个 尺 寸 范 围 内液 滴 的 固相 分 数统 计 结 果 , 即 不 一 工 ` 尸(训刃 d l( n 的 . 式 中 , (P 的为尺 寸分 布 函数`5] , f( 的为相应 尺 寸 的固 相 分数 , 雾化 锥 内整 体 固 相分 数 由(P 刃不uf( 刃共 同决定 . 狱 _ (b) )刃 、 飞 / 一 二婴婴二 一 \ \ \飞 厂二 一梦毕 一 哩乡 _ _ 二一一 一- 二 了 一 ” ~ aP 一 . . … ǎ 一窝 · 巴眼城俐沐戴簇\日 一 厂 一 邺兮飞缨 a `的 厂 ” ` 6 M P a - - 一 刨瑕但纂í子日 轴 向距 离 /m 轴 l句足巨离 /m 氧杀份回迎 八“nU0O 60428064 侧窝\蟾 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 户) ( d) 一- 一 一 . 1 … a P、 / 0 J 轴 向足巨离m/ 轴 向距 离 /m 图 3 初始 气流 速度 分别 为 1 28 , 15 5, 1 62 m s/ , 熔体 过 热为 1 0 K 时轴 向气 流速度 (a) , 热交换 系数 (b) , 合金 熔滴 温度 c( ) , 合 金固 相分数 (d) 沿轴 向距 离 的变化 F ig . 3 C a l e u l a et d g a s a x i a l v e l o c iyt ( a ) , h e a t t r a n s fe r e o e if e i e n t ( b ) , d r o Pl e t t e m P e r a t u r e ( c ) , a n d s o l id fr a e it o n a s a fu n c 6 0 n o f a x i a l d i s t a n e e w h e n t h e s u P e r h e a t 1 5 1 0 0 K a n d t h e v e l o e i yt o f a t o m 止a t i o n g a s a t th e n o z z l e t h or a t i s l 2 8 , 1 5 5 , 16 2 nI ls , r e s P e c ti v e ly
Vol.25 No.5 陈美英等：喷射沉积Si-A合金的数值模拟结果与分析 ·431· 雾化气体的压力对整体固相分数的影响比 0.25 1.0 MPa 较复杂.提高雾化气体压力将降低雾化液滴的质 0.8 MPa 量中径，同时，液滴的尺寸分布曲线将向小尺寸 新0.20 方向移动，见图4.图5给出了在0.6,0.8及1.0 畜015 0.6 MPa MPa三种雾化压力条件下的整体固相分数.随雾 化气体压力的增加，固相分数有所增加. 豪 0.05 图6反映了雾化压力为0.8MPa、熔体过热 (导流管出口过热温度)为100K时不同沉积距离 0 10 102 10 10 处的整体固相分数，其提高的程度为每延长距离 熔滴颗粒尺寸/μm 2cm,固相分数提高1.3%. 图4雾化压力对熔滴尺寸分布的影响 Fig.4 Effect of atomizing pressure on droplet size 0.8 0.75 1.0 MPa 滋0.70 0.6f 至06s 0.8 MPa 0.5- 0.60 雾化压力为0.8MPa 4 0.6 MPa 0.55 熔体过热100K 熔体过热I00K 0.50 0.3 0.30 0.350.400.450.50 0.60 0.300.350.400.45 0.500.60 沉积距离/m 沉积距离m 图6不同沉积距离处雾化锥内固相分数 图5雾化气体压力对固相分数的影响 Fig.6 Solid fraction in the whole spray cone at different Fig.5 Effect of pressure on solid fraction axial distances 3显微组织分析 铸态显著变小，枝晶状的共晶体没有出现，这就 图7(a),b)分别为同一成分的铸态与沉积态 避免了由于Si相粗大所造成的恶劣影响. 显微组织.与铸态组织相比，沉积态组织中的初 图8(a),(b)为A1-70%Si合金分别在雾化压力 晶硅相变得细小均匀，弥散分布，基体的尺寸较 为0.6和0.8MPa喷射沉积态的显微组织.可得出 (a) (b) 图7铸态和喷射沉积态组织对比.(a)铸态，b)沉积态 Fig.7 Micrographs of Si-Al alloys produced by spray forming and traditional casting respectively 图8雾化压力对沉积态组织的影响.(a)雾化压力为0.6MPa,(b)雾化压力为0.8MDPa Fig.8 Effect of pressure on the microstructure of spray-formed billets
V b l . 2 5 N 0 . 5 陈 美英 等 : 喷 射 沉积 S i es A I 合金 的 数值 模拟 结 果 与分 析 氧饭饵澳坎啊 雾 化 气 体 的 压 力 对 整 体 固相 分 数 的影 响 比 较 复 杂 . 提 高雾 化 气 体压 力 将 降低 雾化 液 滴 的质 量 中径 , 同 时 , 液 滴 的 尺 寸 分布 曲线 将 向小 尺 寸 方 向移动 , 见 图 4 . 图 5 给 出 了在 .0 6 , .0 8 及 1 . 0 M P a 三 种 雾 化压 力 条件 下 的 整体 固相分 数 . 随雾 化 气 体压 力 的增 加 , 固 相分 数 有 所 增 加 . 图 6 反 映 了雾 化 压 力 为 .0 8 M P a 、 熔 体过 热 ( 导流 管 出 口 过 热 温度 ) 为 10 0 K 时 不 同沉 积距 离 处 的整 体 固相 分 数 , 其 提 高 的程 度 为每 延 长距 离 Z c m , 固相分 数 提 高 1 . 3% . ’ ` “ M件…长 一 0 · ` MP a 丫 。 ’ 6 … . 熔 滴 颗粒 尺 寸乍 仪m 图 4 雾化 压 力对 熔滴 尺 寸 分布 的 影响 F i g . 4 E fe e t o f a t o m 议in g P r e s s u er o n d or P l e t s 抚e 1 . 0 M P a 0 . 7 5 0 . 漏求霉园袒攀牟脉 7 0 0 . 6 0 . 5 0 . 8 M P a 一一一 户 0 . 6 M P a 0 . 6 5 0 . 6 0 0 . 5 5 雾化压力为 0 . 8 M P a 熔体过热 l o K 象契求阿牟仗攀林 熔体过热 10 K 0 . 3 0 0 . 3 5 0 . 4 0 0 . 4 5 0 . 5 0 0 . 6 0 沉 积 距离 m/ 图 5 雾化 气体 压 力对 固 相分 数 的影 响 夕19 . 5 E fe c t o f P er s s u er o n s o li d fr a e t i o n 0 . 5 0 } . , , … ! 0 . 3 0 0 . 3 5 0 . 4 0 0 . 4 5 0 . 50 0 . 60 沉积 距 离 m/ 图 6 不 同 沉积 距 离处 雾 化锥 内 固相 分数 F i g . 6 S o li d fr a e t i o n i n t h e w h o l e s p r a y e o n e a t d ifl er r e n t a x i a l d i s t a n e e s 3 显 微组 织分 析 图 7 a( ) , (b) 分别 为 同 一成 分 的铸 态 与沉 积 态 显 微 组 织 . 与 铸 态组 织 相 比 , 沉 积 态 组织 中 的初 晶硅 相 变得 细 小 均 匀 , 弥 散 分布 , 基 体 的尺 寸 较 铸 态显 著 变 小 , 枝 晶状 的 共 晶体 没 有 出现 , 这 就 避 免 了 由于 iS 相粗 大 所 造 成 的 恶劣 影 响 . 图 8 (a) , (b) 为 A 卜7 0% is 合 金 分别 在 雾 化 压 力 为 .0 6 和 0 . 8 M P a 喷射 沉 积 态 的显 微 组织 . 可 得 出 F i g . 7 图 8 图 7 铸 态和 喷射 沉 积 态组 织对 比 . (a) 铸 态 , (b) 沉积 态 M i e or g r a Ph s o f s i 一 A l a ll o y s Por d u e e d b y s P r a y fo r m in g a n d t r a d i t i o n a l c a s t i n g er s Pec t iv e ly {墉藐蘸蘸漏 雾化 压 力对 沉积 态 组 织 的影 响 . ( a) 雾 化 压 力为 .0 6 M P a , ( b ) 雾 化压 力 为 .0 S M P a F ig . 8 E fe e t o f P r e s s u r e o n t h e m i e r o s t r u e t u r e o f s P r a y 一 fo r m e d b il e t s
·432· 北京科技大学学报 2003年第5期 随着雾化压力的增加，熔滴的质量中径降低，这 关系，提高雾化压力及延长沉积距离是提高雾化 与图4模拟的结果相一致. 锥整体固相分数最有力的途径， 4结论 参考文献 1 Hunt W H,Prekumar M K.Novel materials for electronic (1)在A1-70%Si中，由于Si的熔点很高，且其 packaging and thermal management [J].J Met,1992,44 凝固潜热很大，所以在液滴冷却过程中不可忽略 (7):8 辐射散热. 2张强，孙东立，武高辉，电子封装基片材料研究进展 (2)在喷射沉积过程中，对A1-70%Si合金，雾 [月.材料科学与工艺，2000,8(4)：66 化阶段液滴的冷却速度约为10~10Ks:在该工 3 Jacobson DM.Lightweight electronic packaging technol- ogy based on spray formed Si-Al [J].Powder Metall 艺条件下，当沉积距离为600mm时，整体固相分 2000,43(3):200 数可达70%以上， 4 Jacobson D M.Spray-formed silicon-aluminum [J].Adv (3)雾化气体与液滴的交互作用是影响液滴 Mater Proc,2000,3:36 凝固行为及最终组织的重要因素.对于单颗粒， 5傅晓伟.雾化沉积工艺的优化及过程物理D小北京： 提高雾化压力，在加强对液滴的冷却作用的同时 北京科技大学，1999 缩短了到达基板的时间，综合作用结果将降低其 6张济山，孙祖庆，陈国良，雾化喷射沉积成形材料 飞行结束后的固相分数. 制备基本过程的分析).北京科技大学学报，1996， 18(5):440 (4)对雾化锥整体而言，经积分统计计算表 7傅晓伟，张济山，孙祖庆.喷射沉积过程的计算模型 明，提高雾化气体的压力降低了液滴质量中径， [.北京科技大学学报，1997,191：63 使尺寸分布曲线左移，两种作用的综合结果是增 8沈军，崔成松，将祖龄，等.雾化沉积快速凝固过程 加雾化锥内的整体固相分数， 的计算机模拟(1Ⅱ数值分析)[).金属学报，1994,30 (⑤)沉积距离对整体固相分数的影响呈线性 (8):B342 Numerical Simulation and Analysis of Spray-Deposited Silicon-Aluminum Alloys CHEN Meiying,YANG Bin,ZHANG Jishan State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China ABSTRACT The numerical simulation of solidification processing for Si-Al alloys prepared by spray forming was adopted by considing heat radiation in the cooling process of droplets.A relationship among droplet velocity, heat transfer coefficient,droplet temperature,cooling velocity of droplets,solid fraction and axial distance was ac- quired.The variations of droplet temperature and solid fraction before and after heat radiation is consided in the cooling process of droplets were invcstigated.The influence of atomization pressure and axial distance on solid frac- tion was also discussed KEY WORDS Si-Al alloy;spray forming;numerical simulation;solidification behavior
雄3 2 北 京 科 技 大 学 学 报 0 30 年 第 5 期 随着 雾 化 压力 的 增加 , 熔 滴 的质 量 中径 降低 , 这 与 图 4 模 拟 的结 果 相一 致 . 关 系 , 提高 雾化 压力 及延 长沉 积距 离是 提 高雾化 锥 整体 固 相分 数最 有 力 的途 径 . 4 结 论 ( l) 在 lA 一 0% iS 中 , 由于 iS 的熔 点很 高 , 且其 凝 固潜 热很 大 , 所 以在 液滴 冷却 过程 中不可 忽略 辐 射 散热 . (2 )在 喷射 沉 积 过程 中 , 对 lA 一70 % iS 合 金 , 雾 化 阶段 液 滴 的冷 却速 度 约 为 10弋 I J 玲 s ; 在 该 工 艺 条件 下 , 当沉 积距 离为 6 0 m m 时 , 整 体 固相 分 数 可达 70 % 以上 . (3 ) 雾 化气 体 与液 滴 的 交互 作用 是 影 响液 滴 凝 固行 为及 最 终 组织 的重要 因素 . 对 于 单颗 粒 , 提 高雾化 压 力 , 在加 强对 液滴 的冷 却作 用 的 同时 缩 短 了到达基 板 的 时间 , 综 合作用 结 果将 降低 其 飞行 结 束后 的固相 分 数 . ( 4 ) 对 雾化 锥 整体 而 言 , 经积 分 统 计计 算表 明 , 提 高 雾 化气 体 的压 力 降低 了液 滴 质 量 中径 , 使尺 寸分 布 曲线左 移 , 两 种作 用 的综合 结果 是增 加 雾化 锥 内 的整 体 固相 分数 . (5) 沉 积 距 离对 整 体 固相 分数 的影 响呈 线性 参 考 文 献 H u n t W H , P er k u m a r M K . N o ve l m a 把 ir a l s fo r e lec fot n i c P a c k a g i n g an d ht e mr a l m an ag e m e nt [ JI . J M e t , 19 9 2 , 4 4 ( 7 ) : 8 张强 , 孙 东立 , 武高辉 . 电子 封装基 片材 料研 究进 展 IJ ] . 材 料 科学 与工 艺 , 2 0 0 0 , 8 ( 4 ) : 6 6 J a e o b s o n D M . L ihg t w e ihg t e l e e t r o n i e Pac k a g i n g et c hn o l - o gy b a s e d on s P r ay fo mr e d 51一l [ J ] . P o w d e r M e at ll . 2 0 0 0 , 4 3 ( 3 ) : 2 0 0 J a e o b s on D M . S P r a y 一 肠加ed s i li e o n 一 a l u m in u m 口] . A d y M at e r P or e , 2 0 0 0 , 3 : 3 6 傅 晓伟 . 雾化 沉积 工艺 的优 化及 过程物 理 [D] . 北 京 : 北京 科技 大 学 , 19 9 9 张济 山 , 孙 祖庆 , 陈 国 良 . 雾 化喷 射沉 积成 形材料 制 备基 本过程 的 分析 [J] . 北 京科技 大 学学报 , 19% , 1 8 ( 5 ) : 4 4 0 傅晓伟 , 张 济 山 , 孙祖 庆 . 喷射 沉积 过程 的计算 模型 【J ] , 北 京科 技大 学学报 , 1 9 9 7 , 1 9 ( 1) : 6 3 沈 军 , 崔 成松 , 将 祖 龄 , 等 . 雾化 沉积 快 速凝 固过程 的计 算机 模拟 ( n 数 值分 析) [J] . 金 属 学报 , 19 94 , 30 ( 8 ) : B 3 4 2 N um e r i c a l S im u l at i o n an d A n a ly s i s o f S P r ay 一 D e P o s it e d S ili e o n 一 A l um i n um A ll o y s C 习E N 人企 iy ng, YA N G iB n , Z子IA N G isJ ha n S at t e K e y L ab o r at o yr for A d v an e e d M e at l s an d M at ier a l s , nU i v e rs ity Of S e i e n e e an d eT e hn o 1 o gy B e ij i gn, B e ij ign l 0 0 0 8 3 , C h i n a A B S T R A C T T h e num e ir e a l s im ul at i o n o f s o lid iif e iat on Por e e s s in g of r 5 1 一 A I a lloy s P r e Par e d b y s P r a y of n n ign w a s a d o tP e d by c o n s i d ign h e at ar id at ion in t he e o o lign P r o e e s s o f dr oP l e t s . A r e l iat o n s ih P am o n g d r o Pl e t v e l o e ity, h e at tr an s fe r e o e if e i e in , d r o P l e t t e m P e r a h jr e , e o o li n g v e l o e i yt o f d r o P l e t s , s o li d fr ac t i o n an d ax i a l id s t叭e e w a s ac - q u ier d . hT e v iar at i o n s o f dr oP l e t t e m P e r a t u r e an d s o l id far c t i o n b e fo r e an d aft e r h e at r a d i at i o n 1 5 e o n s id e d i n ht e e o o li n g P or e e s s o f dr o Pl e t s w er e ivn e s it g at e d . hT e i n flu en e e o f at o m i z iat o n P r e s s uer a n d ax i a l di s t an e e o n s o li d fr ac - t i o n w a s a l s o d i s e u s s e d K E Y W O R D S 5 1 一 A I a lloy : sP r a y fo mr ign : n 切rn ier e a l s im u lat i o n : s o lid i if e iat o n b e h a v i o r
