基于實時觀察的鋁合金中微孔形成與演化研究.pdf

1、微孔是鋁合金鑄件中主要的缺陷之一,其存在嚴重降低材料的力學性能,尤其疲勞性能。通過優(yōu)化澆注系統(tǒng)的設計和鑄造工藝,精煉處理熔體,預測和控制鑄件中微孔數(shù)量與尺寸,人們期望最終能制造出高可靠性的鑄件。這就需要對凝固過程中微孔形成機制、形貌演化過程、運動行為及其與凝固組織間的交互作用機制有充分的認識,而使用X-ray實時觀察技術是最直接有效的研究方法,也是當前凝固領域的研究熱點之一,對發(fā)展凝固理論與指導實際生產(chǎn)有重要意義。
　　 本文自

2、行設計與制造了一套用于實時觀察合金固液相變過程的裝置——微焦點X-ray定向凝固實時成像裝置(X-ray Imaging and Directional Solidification Stage,簡稱XIDS)。該裝置包括四個部分:微焦點X-Ray及成像系統(tǒng)、定向凝固裝置、試樣船及冷卻系統(tǒng)、機械傳動系統(tǒng)。該試驗裝置可以實現(xiàn)對金屬合金凝固與熔化兩個過程進行實時觀察,可清晰觀察微孔缺陷的演化過程。經(jīng)進一步改進,還可以對微孔與凝固組織的交互作

3、用過程進行實時觀察研究,也可以對泡沫鋁一次與二次發(fā)泡過程進行實時觀察研究。
　　 使用該裝置實時觀察研究了凝固速度對亞共晶鋁硅合金定向凝固過程中微孔形成的影響規(guī)律,并定量統(tǒng)計了微孔當量半徑、孔密度與孔隙率的變化過程。研究發(fā)現(xiàn),孔密度停止增加時孔隙率仍繼續(xù)增加。凝固過程中孔密度和孔隙率的增加可以分為兩個階段,在前一個階段孔隙率的增加主要是由于新孔的形成和生長導致,而后期孔隙率的增加主要依賴于先形成微孔的生長。凝固速度的增加可以使試

4、樣中微孔密度增加速率顯著增加。
　　 對近共晶與亞共晶鋁硅合金凝固過程中微孔的形成與演變過程進行了實時觀察研究,記錄了凝固過程中微孔的各種運動行為。通過考察亞共晶鋁硅合金柱狀枝晶和等軸枝晶兩種凝固模式下的微孔演化行為,發(fā)現(xiàn)鑄件中微孔在其形成初期均是球形微孔,在生長后期由于枝晶骨架的空間限制使得微孔形貌沿枝晶變形,形成不規(guī)則形貌的微孔,因此無論具有規(guī)則球形形貌還是極不規(guī)則形貌的微孔均是由氣孔演化而來。實際生產(chǎn)中,鑄件中微孔形貌不能

5、用來作為判斷微孔成因的主要依據(jù)。通過對近共晶鋁硅合金凝固過程中微孔形貌演變過程研究發(fā)現(xiàn),微孔的形貌也存在多樣性,并非單一的球形形貌。微孔的形貌由與固液界面競爭生長決定,并提出微孔與固液界面協(xié)同生長模型。微孔的形貌受以下幾個因素影響:凝固速度、初始氫含量、微孔初始曲率半徑。基于格子波爾茲曼法(LBM),耦合元胞自動機(CA)數(shù)值模擬研究了與固液界面協(xié)同生長時微孔形貌演變規(guī)律,為控制微孔形貌奠定基礎。
　　 使用鋁錫合金,實時觀察到

6、在定向凝固過程中微孔的形成過程,及微孔引起溶質異常偏析的現(xiàn)象。凝固過程中隨著微孔的形成,在微孔周圍尤其在上方形成異常偏析區(qū),Sn元素最終大多在微孔上方集中呈網(wǎng)狀分布。實時觀察到了微孔與凝固前沿之間的交互作用全過程,微孔的存在不僅引起異常偏析,還改變了凝固過程中固液界面的形貌,在微孔下方形成凸起,而在微孔上方的區(qū)域凝固之后形成凹界面。使用有限差分法和元胞自動機法數(shù)值模擬研究了微孔對其周圍溫度場及固液界面形貌的影響過程。分析認為這是由于微孔

7、的熱導率遠遠小于金屬合金的熱導率,導致在垂直定向凝固過程中,在同一水平線上,微孔上部存在高溫區(qū),下部存在低溫區(qū)。產(chǎn)生了水平方向上的溫度梯度和濃度梯度,造成富Sn液相向微孔上方聚集,以及凝固前沿在微孔下方突起,上方形成凹界面。微孔上方聚集的富Sn液相向下流動使得微孔下方也存在偏析。
　　 對具有高孔隙率的金屬型鑄造近共晶、亞共晶鋁硅合金薄板重熔過程進行了實時觀察,研究了重熔過程中微孔的演化及去向。近共晶合金重熔過程中微孔大多上浮逸

8、出熔體;亞共晶合金中的微孔從分枝發(fā)達的形貌逐漸聚集成球形然后上浮逸出熔體,這也說明亞共晶合金中極不規(guī)則的微孔大多是氣孔演變而來。這些現(xiàn)象對降低合金中的含氫量具有參考意義,從而提出一種簡單有效的除氣方法——重復熔化凈化鋁及鋁合金熔體工藝。在實驗室條件下,使用該工藝分別對初始孔隙率較高的純鋁、近共晶鋁硅合金和亞共晶鋁硅合金進行了凈化試驗,發(fā)現(xiàn)使用該工藝可大大降低鋁及鋁合金的孔隙率,起到較好的除氣效果。該工藝在工業(yè)生產(chǎn)中有廣闊的應用前景。