水基ZrB2膏体非连续挤出过程中液相迁移行为研究

ZrB2用于高超音速飞机的瓶颈问题在于缺乏经济有效的近净成型工艺，Freeze-form Extrusion Fabrication（FEF）工艺以水基膏体为成型材料，将分层堆积原理和无压烧结结合起来，可以制作复杂ZrB2零件，但是其成型特点决定了膏体挤出过程是不断经历"建压-卸压-建压"的非连续过程，重新评估液相迁移行为非常必要。本项目通过实验和建模，主要研究水基ZrB2膏体非连续挤出过程中的液相迁移行为，为FEF工艺提供基础数据和理论指导。在测试ZrB2膏体流变性能的基础上，研究各种挤出参数对液相迁移的影响，并寻找其阙值；通过监测料筒内液相分布和挤出体液相含量的动态变化，阐明多阶段挤出过程迭代后的液固相传质规律；从宏观和微观两个层面对驱动膏体流动的压力进行分析，为液相迁移现象的解释及其建模提供理论依据；基于膏体连续挤出的液相迁移模型，建立多阶段迭代的非连续挤出过程液相迁移模型。

以水基ZrB2膏体采用Freeze-form Extrusion Fabrication工艺能够快速制作复杂ZrB2零件，但是成型时膏体挤出过程是不断经历"建压-卸压-建压"的非连续过程，有必要对严重影响膏体挤出工艺的液相迁移行为重新评估，本项目对水基ZrB2膏体的非连续挤出过程的液相迁移行为进行了深入研究。首先研究了水基ZrB2膏体的挤出流变行为，阐明了该膏体可看作粘弹塑性体并存在屈服值和剪切变稀现象；在连续挤出和非连续挤出试验中都证实了液相迁移行为的存在，发现存在挤出速度阈值，高于该值，将不发生明显的液相迁移；通过分层切片法和核磁共振成像法研究了膏体挤出过程中液相的动态分布，获得了膏体流动和液相分布的规律，表明非连续挤出过程中液相迁移现象的发生是膏体中液相动态分布的不均匀导致的，而且与自由水的流动和补充关系很大，非连续挤出过程对液相的再分布过程有一定的干扰，挤出过程中液相含量的整体分布受挤出速度的影响较大；评估了各项挤出参数对液相迁移的作用规律，发现挤出速度是影响液相迁移行为的最关键因素，挤出口尺寸对液相迁移有明显的影响，非连续挤出参数（挤出间隔、每次挤出步数）使液相迁移趋向严重，但影响不大，非连续挤出的多次挤出叠加过程在高挤出速度下影响较明显；对挤出压力曲线的分析表明挤出压力的传递是形成液相迁移现象的内在原因，挤出压力曲线和液相迁移行为的发生存在一定的对应关系，可以通过检测挤出压力曲线判断液相迁移现象，非连续挤出对稳定阶段挤出压力的影响不大；将水基膏体定义为非牛顿流体，用FLUNT软件进行了模拟仿真，模拟结果可以说明一些膏体挤出的实验现象。