Computational modeling of centrifugal casting of alumina matrix composite reinforced with crystalline particles

• Autorzy: Zagórski R.

Warianty tytułu

PL

Komputerowe modelowanie odlewania odśrodkowego kompozytów aluminiowych zbrojonych cząsteczkami ceramicznymi

• Konferencja: 14th KomPlasTech Conference, Zakopane, January 14-17, 2007
• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The centrifugal casting of alumina matrix composite reinforced with crystalline particles (SiC) are studied. The influence of cast process parameters like pouring temperature, temperature, rotating speed and size of casting mould on structure of composite are examined. During centrifugal casting of alloys containing dispersed particles of crystalline, particles move under influence of centrifugal force and segregate. Numerical simulations are performed using the FLUENT two-phase free surface (air and matrix) unsteady flow model (volume of fluid model – VOF) and discrete phase model (DPM).

PL

Odlewanie odśrodkowe jest jedną z metod otrzymywania kompozytów aluminiowych zbrojonych cząsteczkami ceramicznymi. W trakcie procesu następuję segregacja cząsteczek zbrojenia pod wpływem działania siły odśrodkowej. Struktura kompozytu zależy również i od innych czynników: tj. różnicy gęstości pomiędzy materiałem osnowy i zbrojeniem, procesów termicznych związanych z krzepnięciem prowadzącym do zmiany we właściwościach fizycznych ciekłego kompozytu, temperatury zalewania, temperatury formy, składu i właściwości fizycznych kompozytu, prędkości wirowania, rozmiaru cząsteczek zbrojenia i innych. Ze względu na złożoność procesu, w którym wiele zjawisk ma charakter nieliniowy, matematyczny opis procesu jest zagadnieniem trudnym. Rozwój technik komputerowych spowodował, że modelowanie układów ciągłych, a za taki można uznać układ: ciekła osnowa kompozytu i zbrojenie, staje się możliwe, nawet w przypadku złożonego charakteru zagadnienia. W niniejszej pracy przedstawiono opis projektu, w którym podjęto próbę komputerowego modelowania procesu odlewania odśrodkowego kompozytów aluminiowych zbrojonych cząsteczkami ceramicznymi (SiC) od momentu zalewania formy do zastygnięcia kompozytu. W badanych wykorzystano program Fluent, który należy do grupy narzędzi tzw. numerycznej dynamiki płynów CFD (ang. computational fluid dynamie). Program Fluent podobnie jak szereg innych podobnych programów, opiera się na metodzie elementów skończonych oraz metodzie objętości skończonej. Zawiera szereg gotowych procedur, które zastosowano do zamodelowanie odlewania odśrodkowego kompozytów metalowych, tzn. procedury do obliczania rozkładu temperatur oraz prędkości dla dwuwymiarowego układu wirującego (ang. 2D axisymmetric swirl modę!), powierzchni swobodnej (ang. volume of fluid - VOF), cząsteczek stanowiących fazę rozproszoną (ang. discrete phase model - DPM). Ponadto umożliwia dodawanie własnych procedur, definiowanie dodatkowych parametrów i implementowanie ich w programie (User-Defined-Functions - UDFs), co było niezbędne w prezentowanym przypadku. W obliczeniach numerycznych uwzględniono wzajemne oddziaływania pomiędzy ciekłą osnową i zbrojeniem - wymiana ciepła i pędu. Ponadto, przyjęto, że na cząsteczkę zbrojenia oprócz siły odśrodkowej działają i inne siły, tj. grawitacja, wy-poru oraz oporu wynikająca z ruch cząsteczki w płynie o określonej lepkości. Zaniedbano natomiast oddziaływania między cząsteczkowe, traktując cząsteczki zbrojenia jako sztywne kule, które blokują zajmowaną przez siebie objętość. Uwzględniono zależność temperaturową takich parametrów ciekłej osnowy jak: gęstość, przewodnictwo cieplne oraz lepkość. Proces zastygania kompozytu zamodelowano poprzez zmianę lepkości ciekłej osnowy wraz ze zmianą temperatury.

Słowa kluczowe

EN

centrifugal casting; alumina matrix composite; computational fluid dynamics CFD

• Wydawca: Wydawnictwa AGH
• Czasopismo: Computer Methods in Materials Science
• Rocznik: 2007
• Tom: Vol. 7, No. 2
• Strony: 202--207
• Opis fizyczny: Bibliogr. 9 poz., rys.

Twórcy

autor

Zagórski R.

• Department of Electrotechnology, Faculty of Materials Science and Metallurgy, Silesian University of Technology, ul. Krasińskiego 8, 40-019, Katowice, Poland

Bibliografia

• Liu Q., Jiao Y., Yang Y., Hu Z., 1996, Theoretical Analysis of the Particle Gradient Distribution in Centrifugal Field During Solidification, Metal Mater. Trans. B, 27B, 1025-1029.
• Kang C.G., Rohatgi P.K., Narendranath C.S., Cole G.S., 1994, Solidification Analysis on Centrifugal Casting on Metal Matrix Composites Containing Graphite Particles, ISIJ Int., 34, 247 - 254.
• Lajoye L., Suery M., 1988, Modeling of Particle Segregation During Centrifugal Casting of Al-Matrix Composites, Cast Reinforced Metal Composites, Proc. Int. Symp. on Advances in Cast Reinforced Metal Composites, World Material Congress, ASM/TSM Metal Matrix Composites Committee, Chicago, III., 18-21.
• Hartin J.R., Tims M.L., Wang C.M., Meyer E., 1992, Solidification Modeling of Centrifugally Cast Titanium Aluminides, EPD Congress, ed., Hager, J.P., 899 - 914.
• Sobczak J., 2001, Kompozyty Metalowe, Wyd. Instytutu Odlewnictwa i Instytutu Transportu Samochodowego, Kraków-Warszawa (in Polish).
• Panda E., Mazumdar D., Mehrotha S.P., 2006, Mathematical Modelling of Particle Segregation during Centrifugal Casting of Metal Matrix Composites, Metal Mater. Trans. A, 37A, 1675-1687.
• Stefanescu, D.M., Moitra, A., Kacar, A.S., Dhindaw, B.K., 1990, The Influence of Buoyant Forces and Volume Fraction of Particles on the Particle Pushing/Entrapment Transition during Directional Solidification of AL/SiC and Al/Graphite Composites, Metal Trans. A, 21 A, 231 -239.
• Morsi S.A., Alexander A.J., 1972, An Investigation of Particle Trajectories in Two-Phase Flow Systems, J. Fluid Mech., 55, 193-208.
• Clift R., Grace J.R., Weber M.E., 1978, Bubbles, Drops, and Particles, Academic Press.