螺旋線槽半固態(tài)漿料制備工藝研究.pdf

1、本文獨(dú)立設(shè)計(jì)組裝螺旋線槽（Helical Curve Duct，簡(jiǎn)稱HCD）漿料制備裝置，并設(shè)計(jì)與之相關(guān)的工藝流程。以此作為實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，討論了 HCD裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)和HCD工藝參數(shù)對(duì)制備漿料組織的影響，并通過多重分形計(jì)算定量表征其初生相的分布均勻性特征；利用HCD制備漿料試樣進(jìn)行基于連續(xù)切片技術(shù)基礎(chǔ)的微觀組織三維重建，對(duì)3組代表性的試樣重建的漿料組織進(jìn)行基礎(chǔ)信息的、分形維和各向異性的測(cè)量；重切三維重建的漿料組織，獲得9組重切切片系列，與3組

2、原始切片一起共12組切片系列進(jìn)行測(cè)量并完成對(duì)其的統(tǒng)計(jì)計(jì)算分析；利用HCD制備的漿料試樣進(jìn)行切口斷面特征分析，三維重建4組典型切口斷面并進(jìn)行多重分形計(jì)算表征三維切口斷面的非均勻性特征，通過圖像處理獲得切口斷面裂紋擴(kuò)展特征并進(jìn)行多重分析定量表征，通過切口斷面等高線特征從另一角度來(lái)分析微觀組織對(duì)漿料切口斷面特征影響。主要研究?jī)?nèi)容和獲得的結(jié)果：
　　通過HCD實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)了A356、7075和6063鋁合金，AZ91鎂合金和銅鈣合金的半固

3、態(tài)漿料制備。以A356和7075合金為基礎(chǔ)研究HCD的裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)與工藝參數(shù)對(duì)制備漿料的影響規(guī)律。螺旋角度、合金澆注溫度和流動(dòng)時(shí)間都會(huì)對(duì)漿料組織施加影響，三組參數(shù)都在一定的區(qū)間范圍內(nèi)起作用。A356，7075和6063鋁合金、AZ91鎂合金，螺旋角度有效范圍在270°-720°。合金在槽內(nèi)的流動(dòng)時(shí)間在4-11s之間，確保合金流經(jīng)槽內(nèi)時(shí)能順利全部流出。在有效的流動(dòng)時(shí)間范圍內(nèi)，合理綜合螺旋角度和澆注溫度就能制備良好的合金漿料。A356、70

4、75和6063鋁合金的澆注溫度范圍分別為630-640℃、640-665℃和655-665℃，7075和6063合金制備漿料后靜置時(shí)間不超過90s，不然固相分?jǐn)?shù)會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生急劇變化而難控制。對(duì)A356合金初生相進(jìn)行多重分形計(jì)算，考察螺旋角度為270°、360°、540°和720°對(duì)漿料組織的影響，其譜寬度Δα為0.9498、1.7277、0.8098和0.8196。540°的最小，組織分布最均勻；考察澆注溫度為630℃、635

5、℃、640 ℃和650 ℃對(duì)漿料組織的影響，其Δα為1.6280、0.8596、1.2566和2.0878。635℃的最小，組織分布最均勻；考察流動(dòng)時(shí)間的影響，其Δα相差非常小，合金熔體在螺旋線槽內(nèi)流動(dòng)的時(shí)間對(duì)微觀組織均勻性的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于澆注溫度和螺旋角度對(duì)其的影響。對(duì)7075和6063合金初生相進(jìn)行多重分形計(jì)算，與A356合金一樣，螺旋角度和澆注溫度都對(duì)漿料組織有程度不等的影響，這可以在Δα上反映出來(lái)。所有測(cè)量合金初生相多重分形譜全都

6、是呈左鉤狀，大概率子集占主要地位。但在考察螺旋角度和澆注溫度對(duì)漿料組織的影響時(shí)，A356合金在當(dāng)量直徑最小的那組Δα也最小，組織分布相對(duì)最均勻；而在7075和6063合金的測(cè)量中，剛好相反，當(dāng)量直徑最大的那組Δα反而最小，組織分布相對(duì)最均勻?；诠に噷?shí)驗(yàn)，在Anycasting中模擬合金熔體在螺旋線槽內(nèi)的流動(dòng)、溫度、速度以及粘度變化特征，揭示在無(wú)外作用力條件下，通過其自身結(jié)構(gòu)特征而形成對(duì)合金熔體的冷卻作用和自攪拌混合過程的螺旋線槽漿料制

7、備機(jī)制。
　　通過手工拋切獲得3組典型漿料組織240層切片，完成所有金相特征提取，分別在 ImageJ、MIMICS和3Ddoctor中完成漿料微觀組織和局部共晶部分三維重建?；?組漿料微觀組織的重建，完成其基礎(chǔ)信息測(cè)量、初生相分形維和各向異性程度的測(cè)量。測(cè)量得到3組分形維分別為2.4657、2.5340、2.5850；測(cè)量其各向異性程度分別為0.295、0.1671、0.711。其分形維和各向異性程度的測(cè)量結(jié)果表明螺旋線槽漿料

8、制備工藝對(duì)合金熔體的處理可以充分抑制初生相的各向異性生長(zhǎng)，同時(shí)也使得漿料初生相趨于更簡(jiǎn)單形貌的生長(zhǎng)。
　　測(cè)量了9組重切切片和3組原始切片的當(dāng)量直徑、Feret直徑和形狀因子并完成統(tǒng)計(jì)分析：重切的軸向面的切片測(cè)量計(jì)算結(jié)果總體與原始切片圖層統(tǒng)計(jì)結(jié)果最為接近；第3組試樣各向異性程度最大，當(dāng)量直徑、Feret直徑和形狀因子，它們的與原始切片之間最大測(cè)量偏差分別高達(dá)32.81％、42.00%和9.67%。測(cè)量反過來(lái)印證了前一章各向異性程度

9、的測(cè)量結(jié)果；在微觀組織各向異性程度不是很大時(shí)， Feret直徑的測(cè)量最為可靠，接下來(lái)是形狀因子，當(dāng)量直徑次之。
　　HCD制備的漿料切口斷面和重熔的坯料切口斷面宏微觀特征接近，而未處理的漿料切口斷面區(qū)別非常明顯：通過4組典型三維切口斷面多重分形計(jì)算，未處理595℃、漿料590℃、漿料595℃和坯料585℃這4組斷面的Δα分別1.0310、0.7014、0.5799和0.4441，未處理595℃的Δα最大，高低起伏不等，坯料585℃