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實驗機，系統(tǒng)研究了工藝參數對鋁合金半固態(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理，在此基礎上對YL112合金的流變壓鑄、變形鋁合金的流變擠壓鑄造進行了實驗研究。主要研究內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細小、球形、內部無夾裹的液相、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)漿料用時約15-25s。 揭示了工藝參數對鋁合金半固態(tài)組織的影響規(guī)律。澆注溫度、輸送管轉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)質半固態(tài)漿料的工藝參數范圍。當輸送管轉速和輸送管傾角均在有效范圍內時，隨著澆注溫度的降低，初生α-Al經歷了由粗大樹枝晶→薔薇晶→細小球形/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：(1)合金熔體中自由晶數目和漿料冷卻速度共同決定著初生固相的尺寸和形態(tài)。自由晶數目少、冷卻速度高，樹枝晶形成的傾向較大；自由晶數量多、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小球形，并在整個演變過程中始終保持球形，沒有枝晶組織出現，從實驗上證明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行了理論分析。認為，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，促進晶粒游離，提高游離晶的存活率，這是半固態(tài)組織細化的本質所在。 確立了LSPSF條件下半固態(tài)初生組

6、織形成機制以球狀生長機制為主而非傳統(tǒng)的樹枝晶破碎機制。建立了模擬流變鑄造微觀組織形成的 Cellular Automaton模型，深入考察了冷卻強度和晶粒密度對流變鑄造中初生α-A1形態(tài)的影響，與實驗吻合很好。根據M-S穩(wěn)定性理論，提出了“擴散場疊加”原理：晶粒周圍溶質擴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濃度的分布，進而影響初生相的生長形態(tài)，認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性能，尤其延伸率提高明顯?？刹捎脽崽幚磉M一步提高YL112合金的力學性能。 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