共晶陶瓷区熔过程中对流和传热的研究.pdfVIP

材 料 2O14年第13期(45)卷 文章编号 ：1001—9731(2014)13—13030—06 共晶陶瓷区熔过程 中对流和传热的研究 王新路 ，刘俊成，生 晗，翟硕彦 (天津工业大学 材料科学与工程学院，天津 300387) 摘 要： 氧化物共晶陶瓷具有优异的超高温力学性 提下，径 向溶质偏析的大小正 比于界面曲率的大小。 能和抗氧化性。为获得具有精细组织的共 晶陶瓷 ，采 彭岚等_l6研究了坩埚半径对 CdZnTe晶体生长过程 中 用有限元法计算模拟 了A1。O。／MgA1O 共晶陶瓷的 整体传热与流动特性的影响，模拟结果表 明，随着坩埚 区域熔炼定向凝 固过程。计算结果表 明，热重引起 的 半径增大 ，Marangoni对流对熔体流动影响逐渐增大， 自然对流 ，呈逆时针环形流 ，整个凝 固过程 中流动强度 结晶界面附近的熔体流动不稳定性增加 ，这不利于 晶 先减小后增大，固液界面呈明显的凹形界面。ACRT 体的稳定生长。 强迫对流的特征为逆时针、顺 时针对流胞交替呈现 ，强 加速旋转坩埚技术(ACRT)使坩埚 中产生强迫对 度 比自然对流 大 1～2个数量级 。施加 ACRT后 ，凝 流，增强了熔体中的传热、传质，对熔体单晶体生长过 固过程 中固液界面仍然呈凹形界面，但是凹陷深度 显 程 固液界面 附近的温度梯度有显著影响 ]。刘俊成 著减小；当坩埚最大转速增大时，对流强度显著增加 ， 等_8采用 ACRT—Bridgman法制备了40mm 的结构 固液界面的凹陷深度进一步减小，直至趋近于平界面。 较为完整的Cd 。Zn。．。Te晶锭 ，实验结果表明，ACRT 关键词： 共晶陶瓷；区域熔炼 ；对流 ：ACRT；数值模 显著改善 晶体组份的轴 向偏析和径 向偏析 。杜园园 拟 等_s采 用 ACRT—Te溶 液 Bridgman 法 生 长 了 中图分类号： TQ174 文献标识码 ：A CdMnTe晶体 ，实验结果表 明，与传统的Bridgman法 DOI：l0．3969／j．issn．1001-9731．2014．13．006 相比，此方法下生长的晶体中孪晶数量减少。 AlO。／MgA1O 共晶陶瓷具有高温强度高、耐腐 1 引 言 蚀、热导率高和很好 的稳定性等优点_l1。为了生长高 进入 21世纪以后 ，各大国之间在航空航天领域的 质量 的共 晶陶瓷 ，本文拟采用有 限元 法计算模 拟 竞争愈加激烈。推重 比10以上 的发动机涡轮前进 口 A1O。／MgA1O 共 晶陶瓷的区域熔炼定 向凝 固过程 ， 温度已高达 l600～1650℃¨1]，而 目前在航空领域使 研究该过程中自然对流和固一液界面形状的演变 ，AC— 用的性能最好的镍基单晶高温合金叶片最高工作温度 RT引起的强迫对流的特征及其对固一液界面形状 的影 仅在 1100C左右 ，接近其熔点 (1350。C)的85 ，难 响。 以满足使用温度的进一步提高 ]。氧化物定向凝 固共 2 实 验 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最有 2．1 物理模型与条件假设 前景的候选材料 [3]。 区域熔炼法共晶凝 固系统模型示于图 1。其凝 固 与传统的Bridgman定 向凝 固方法相比，区域熔炼 过程为将 陶瓷预烧结体置于金属坩埚中，高频感应加 法可以获得更高的