鋁合金鑄造復(fù)合工藝及理論研究.pdf

1、本課題根據(jù)我國(guó)復(fù)合鋁材發(fā)展的需要，開(kāi)發(fā)復(fù)合鋁材制備的新技術(shù)-鑄造復(fù)合。主要研究鑄造設(shè)備和工藝對(duì)復(fù)合錠坯的冶金質(zhì)量和鑄造過(guò)程穩(wěn)定性的影響，旨在獲得界面清晰平直，無(wú)氣孔和夾雜，界面結(jié)合強(qiáng)度較高且為冶金結(jié)合的復(fù)合錠坯。
　　本文采用實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了420mm×160mm3004/4045鋁合金兩層錠坯和500mm×420mm4045/3004/4045鋁合金三層錠坯鑄造復(fù)合過(guò)程中的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)以及熱量傳輸，討論了分

2、流方式、鑄造溫度、鑄造速度、冷卻板接觸高度及冷卻強(qiáng)度對(duì)鑄造復(fù)合過(guò)程中溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的影響，觀察和測(cè)定了復(fù)合錠坯的宏觀形貌、微觀組織、界面附近的溫度分布及界面區(qū)域的合金元素分布，并測(cè)定界面抗拉強(qiáng)度，最后獲得了鑄造高質(zhì)量鋁合金復(fù)合錠坯的設(shè)備和工藝參數(shù)。
　　本文首先建立了一個(gè)描述鑄造復(fù)合的數(shù)學(xué)模型，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較表明，該數(shù)學(xué)模型能夠比較準(zhǔn)確的模擬鑄造復(fù)合過(guò)程的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)，可以用來(lái)研究工藝參數(shù)對(duì)鑄造復(fù)合過(guò)程的影響。
　　

3、通過(guò)數(shù)值模擬，詳細(xì)考察了一點(diǎn)分流、方形分流、兩點(diǎn)分流、圓形分流和同水平分流五種分流方式對(duì)鑄造復(fù)合過(guò)程流場(chǎng)及溫度場(chǎng)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn):當(dāng)中間層3004合金熔體采用方形分流，兩側(cè)4045合金熔體采用同水平分流時(shí)，熔體的流動(dòng)平緩，溫度分布較均勻，確定了穩(wěn)定鑄造的分流方式。
　　數(shù)值模擬和測(cè)溫結(jié)果表明，芯材合金在冷卻板的作用下形成的支撐層是實(shí)現(xiàn)鑄造復(fù)合的核心環(huán)節(jié)。本文突破了Novelis提出的半固態(tài)支撐層的技術(shù)思想，提出控制支撐層為固態(tài)，可

4、以有效地防止鋁合金液的沖擊，防止兩種熔體混合，確保了鑄造過(guò)程的穩(wěn)定。
　　針對(duì)傳統(tǒng)鑄造復(fù)合采用鋁套結(jié)晶器時(shí)，由于冷卻板與結(jié)晶器壁形成的三角區(qū)是三向冷卻，使該區(qū)域的熔體溫度低導(dǎo)致的結(jié)合強(qiáng)度低的問(wèn)題，通過(guò)熱頂?shù)囊胂私遣咳蚶鋮s區(qū)帶來(lái)的不利影響，在界面附近獲得了一層溫度分布較為均勻的固態(tài)支撐層，確保了界面各處的結(jié)合強(qiáng)度相對(duì)均勻。并且據(jù)此設(shè)計(jì)了適合鑄造復(fù)合的熱頂石墨環(huán)結(jié)晶器和熱項(xiàng)油潤(rùn)滑結(jié)晶器。
　　確定了界面結(jié)合強(qiáng)度與固態(tài)支撐

5、層的溫度關(guān)系，4045合金液與固態(tài)支撐層接觸時(shí)，支撐層溫度在590℃以上時(shí)，界面抗拉強(qiáng)度較高，且均高于88MPa;支撐層溫度低于590℃時(shí)，界面結(jié)合強(qiáng)度大幅度下降。由此建立了固態(tài)支撐層溫度的控制準(zhǔn)則。
　　通過(guò)研究鑄造溫度、鑄造速度、冷卻板接觸高度及冷卻強(qiáng)度四種工藝參數(shù)對(duì)鑄造復(fù)合過(guò)程的影響，確定出4045/3004/4045鋁合金三層錠坯鑄造復(fù)合過(guò)程的最佳工藝參數(shù):3004合金和4045合金的鑄造溫度均為1000 K，鑄造速度為4

6、5mm/min，3004合金與冷卻板的接觸高度為40 mm，冷卻板的冷卻強(qiáng)度為1500 Wm-2K-1。
　　采用本研究開(kāi)發(fā)的設(shè)備和工藝獲得的復(fù)合錠坯界面清晰平直，無(wú)氣孔和夾雜，界面兩側(cè)Si、Mn、 Mg三種合金元素均存在一定程度的擴(kuò)散，說(shuō)明兩種合金的結(jié)合是一種冶金結(jié)合，界面結(jié)合強(qiáng)度為88～107MPa。
　　確定4045/3004/4045復(fù)合錠坯的加熱溫度為560℃，保溫時(shí)間為12小時(shí)，復(fù)合錠坯具有較好的均勻化效果，低熔