定向凝固金属-气体共晶的研究进展

金属-气体共晶是由一个液相在凝固过程中同时生成一个固相和一个气相的反应,即Liquid→Solid+Gas。在定向凝固条件下,金属-气体共晶可以形成类似于棒状共晶的组织,即圆柱状气孔定向排列于金属基体中的藕状多孔结构。1993年乌克兰学者Shapovalov博士在美国申请的一项专利中提出了用这种定向凝固金属-气体共晶方法制备藕状多孔金属的新工艺。其后,美国、日本、英国等国纷纷开展了相关的研究。各种常见的金属被用来制备藕状多孔金属。2003年,清华大学的李言祥研究组在教育部博士点基金的资助下开始相关研究,2005年,昆明理工大学周荣教授获得科技部973前期研究专项的资助,两校开始合作研究。几年来,研究取得了积极的进展。本文从①金属-气体共晶定向凝固装备;②金属-气体共晶定向凝固理论;③金属-气体共晶定向凝固藕状多孔材料等几个方面,全面介绍定向凝固金属-气体共晶的研究进展以及我们自己的相关研究成果。

Influence of solidification mode on pore structure of directionally solidified porous Cu-Mn alloy

By the directional solidification of metal-gas eutectic method（GASAR）,porous Cu-Mn alloy with oriented pores was fabricated successfully.The variation of pore structure was studied by experiments.The results show that the pore structure is primarily dependent on the solidification mode（planar,columnar cellular,columnar dendritic,equiaxed dendritic）,which is controlled by the solidification process.By numerical simulation,it is noted that along with solidification,the solidification mode of the alloy transforms from cellular to columnar dendritic and finally to equiaxed dendritic.Through increasing melt temperature and mold preheating,the range of equiaxed dendrite could be decreased,which helps to extend the region of oriented pore structure.

连铸法Gasar工艺中抽拉速率对多孔金属结构影响的理论分析

通过求解凝固界面前沿熔体中的溶质浓度场方程,从理论上建立了一个用于描述连铸法Gasar工艺中的工艺参数对藕状多孔金属结构平均孔径、孔间距以及气孔率影响的理论模型,并将抽拉速率对多孔金属结构的影响的理论预测结果与文献中相应实验结果进行比较,结果表明,理论预测结果与实验结果吻合较好.预测结果显示,平均孔径r_g和孔间距L随抽拉速率v的升高不断降低,但气孔率变化较小,它们之间存在着简单关系为:r_g^(1.72)·v=A和L^(1.72)·v=B(其中,A和B都是取决于气体压力pH_2和pA_r以及熔体温度T的常数)。

定向凝固多孔Cu热沉传热性能的实验研究

利用定向凝固多孔Cu制备了气孔呈定向规则排布的多孔Cu热沉,对沿孔长方向长度20 mm热沉的传热性能进行了实验研究.实验结果表明,定向凝固多孔Cu热沉具有优异的传热性能,当气孔率为29%,平均孔径为400μm时,热沉的换热系数可以达到5 W/(cm^2·K),沿孔长垂直方向将定向凝固多孔Cu切割成沿孔长方向排列的2段后,其换热系数可以提高到6.5 W/(cm^2·K).这说明当定向凝固多孔Cu沿孔长方向的长度较大时,通孔率降低限制了热沉的传热性能.

定向凝固多孔铜热沉传热性能的理论分析

对定向凝固多孔Cu热沉的传热性能进行理论分析和预测,并将定向凝固多孔Cu热沉传热性能的理论预测结果与实验结果进行了比较.结果表明,将定向凝固多孔Cu热沉单元进行肋片等效,由于实际热沉所用多孔Cu结构与其理想结构存在偏差,理论预测结果远高于实验结果;引入通孔率和通孔孔径对理论预测结果进行修正后,理论预测结果与实验结果吻合.定向凝固多孔Cu的结构是影响热沉传热性能的根本因素,根据理论分析,沿孔长方向长度为20 mm时,具有优异传热性能的热沉的定向多孔Cu部分应具有如下结构:孔径0.1—0.6 mm;气孔率30%—70%;高度≥4 mm.

定向凝固多孔铜热沉传热的分段强化

通孔率测试表明定向凝固多孔铜通孔率随其沿孔长方向长度的减小而线性增大。该文采取分段的方法以提高多孔铜的通孔率。分段后定向凝固多孔铜热沉的传热性能显著提高,4段式热沉在进出口压差为12kPa时,其换热系数可以达到6W/（cm^2·K）,比未分段前提高了50%-70%。实验结果表明：通过分段使得多孔铜的通孔比例达到80%以上时即是比较合适的分段情况。当给定定向凝固多孔铜的初始结构参数时,可以根据多孔铜通孔率与其沿孔长方向长度之间的线性关系得到合适的分段数。