半固態(tài)鋁合金流變成形工藝與理論研究.pdf

1、本文自主開發(fā)了一種能夠高效率制備優(yōu)質(zhì)半固態(tài)漿料的流變鑄造工藝，即剪切低溫澆注(Low Superheat Pouring with a Shear Field，簡稱LSPSF)。自行建造了一臺LSPSF實(shí)驗(yàn)機(jī)，系統(tǒng)研究了工藝參數(shù)對鋁合金半固態(tài)組織的影響規(guī)律，深入考察了LSPSF條件下初生固相的形態(tài)演變過程和球晶組織形成機(jī)理，在此基礎(chǔ)上對YL112合金的流變壓鑄、變形鋁合金的流變擠壓鑄造進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。主要研究內(nèi)容和獲得的成果如下：

2、 采用LSPSF工藝成功制備了鑄造鋁合金A356，高強(qiáng)鑄造鋁合金201，壓鑄專用鋁合金YL112，變形鋁合金2024、6082和7075一系列鋁合金的半固態(tài)漿料。漿料特征為：初生α-Al細(xì)小、球形、內(nèi)部無夾裹的液相、均勻分布于基體中。目前，LSPSF工藝制備1.5kg的上述6種合金半固態(tài)漿料用時(shí)約15-25s。 揭示了工藝參數(shù)對鋁合金半固態(tài)組織的影響規(guī)律。澆注溫度、輸送管轉(zhuǎn)速和輸送管傾角共同影響著輸送管對合金熔體的激冷和攪拌混

3、合強(qiáng)度，最終決定著合金熔體的出口溫度。只要澆注溫度、輸送管轉(zhuǎn)速和輸送管傾角能夠良好地匹配，使出口溫度低于合金液相線溫度，便可以獲得優(yōu)良的半固態(tài)漿料。給出了獲得上述6種鋁合金優(yōu)質(zhì)半固態(tài)漿料的工藝參數(shù)范圍。當(dāng)輸送管轉(zhuǎn)速和輸送管傾角均在有效范圍內(nèi)時(shí)，隨著澆注溫度的降低，初生α-Al經(jīng)歷了由粗大樹枝晶→薔薇晶→細(xì)小球形/近球形晶的演變過程。 在錫冷銅模鑄造、流變壓鑄及V形鋼模鑄造條件下，分別考察了Al-20wt.％Cu和AlSi9Cu3

4、 合金在LSPSF工藝條件下初生固相的形成過程及球晶界面穩(wěn)定性。發(fā)現(xiàn)：(1)合金熔體中自由晶數(shù)目和漿料冷卻速度共同決定著初生固相的尺寸和形態(tài)。自由晶數(shù)目少、冷卻速度高，樹枝晶形成的傾向較大；自由晶數(shù)量多、冷卻速度低，球晶或近球晶形成趨勢大。(2)A1-20wt.％Cu和AlSi9Cu3 合金中最早(凝固發(fā)生 3s)觀察到的初生組織為細(xì)小球形，并在整個(gè)演變過程中始終保持球形，沒有枝晶組織出現(xiàn)，從實(shí)驗(yàn)上證明LSPSF工藝可以從液相中直接獲得

5、球形組織。(3)漿料固相率和漿料冷卻速度共同決定著球形初生固相的穩(wěn)定性，高固相率和低冷卻速度有利于保持初生固相的界面穩(wěn)定性，維持其以球形生長。 根據(jù)瞬態(tài)形核理論和晶粒游離理論，對LSPSF工藝條件下合金熔體的形核與自由晶形成進(jìn)行了理論分析。認(rèn)為，在LSPSF工藝中，低過熱澆注、凝固初期的激冷和攪拌混合可有效地激發(fā)熔體形核，促進(jìn)晶粒游離，提高游離晶的存活率，這是半固態(tài)組織細(xì)化的本質(zhì)所在。 確立了LSPSF條件下半固態(tài)初生組

6、織形成機(jī)制以球狀生長機(jī)制為主而非傳統(tǒng)的樹枝晶破碎機(jī)制。建立了模擬流變鑄造微觀組織形成的 Cellular Automaton模型，深入考察了冷卻強(qiáng)度和晶粒密度對流變鑄造中初生α-A1形態(tài)的影響，與實(shí)驗(yàn)吻合很好。根據(jù)M-S穩(wěn)定性理論，提出了“擴(kuò)散場疊加”原理：晶粒周圍溶質(zhì)擴(kuò)散層的疊加影響著液固界面處引起界面失穩(wěn)的濃度梯度，影響著晶粒周圍溶質(zhì)濃度的分布，進(jìn)而影響初生相的生長形態(tài)，認(rèn)為在高晶粒密度和緩慢冷卻條件下，過冷熔體中形核晶體生長方式以

7、球狀生長為主。 研究了壓鑄專用合金YL112的流變壓鑄工藝。將LSPSF漿料制備工藝和傳統(tǒng)壓鑄HPDC工藝相結(jié)合，開發(fā)了流變壓鑄工藝，探討了定量澆注和漿料輸送方法。與HPDC相比，流變壓鑄可改善鑄件的微觀組織、提高鑄件的致密性和力學(xué)性能，尤其延伸率提高明顯?？刹捎脽崽幚磉M(jìn)一步提高YL112合金的力學(xué)性能。 研究了變形鋁合金流變擠壓鑄造工藝。分析了2024和7075流變擠壓鑄造的微觀組織特征、缺陷、液相偏析、半固態(tài)漿料的充