鋁、鎂合金半固態(tài)漿料制備技術(shù)的研究.pdf

1、材料的微觀結(jié)構(gòu)是材料科學(xué)和工程的核心內(nèi)容，是材料加工和材料行為之間的關(guān)鍵紐帶。因此對材料在成形過程中微觀結(jié)構(gòu)的有效控制成為材料工作者孜孜追求的目標(biāo)。對于金屬和合金材料，凝固是最重要的成形途徑。建立在現(xiàn)代科學(xué)基礎(chǔ)上的優(yōu)質(zhì)鑄件凝固技術(shù)正成為材料成形加工的發(fā)展方向，優(yōu)質(zhì)鑄件凝固技術(shù)包括壓力鑄造、精密鑄造、連續(xù)鑄軋、自蔓延高溫合成熔鑄以及半固態(tài)成形等工藝。傳統(tǒng)鑄造和擠壓成形方法是利用工藝過程來獲取能夠提供零件使用性能的微觀結(jié)構(gòu)，相對來說，供給漿

2、料必須是非枝晶結(jié)構(gòu)的半固態(tài)金屬加工工藝是由材料的微觀結(jié)構(gòu)來決定其工藝特征的。半固態(tài)金屬成形具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如近(凈)終成形、產(chǎn)品高質(zhì)量和高性能以及工藝節(jié)能等，是21世紀(jì)最有前途的金屬材料加工技術(shù)之一。 本文總結(jié)了半固態(tài)金屬加工工藝的發(fā)展，觸變性結(jié)構(gòu)的流變性能和非枝晶組織的形成機(jī)制，介紹了半固態(tài)加工的流變成形發(fā)展方向。在鑄造工程中心的電磁材料加工這一技術(shù)研發(fā)基礎(chǔ)上，試驗(yàn)研究和開發(fā)了鋁、鎂合金半固態(tài)漿料的制備技術(shù)。同時(shí)在國家自然

3、科學(xué)基金(50374014)資助下，和北京有色金屬研究總院合作開發(fā)了阻尼冷卻管法制備鋁合金半固態(tài)漿料的工藝。主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下： 1、提出小尺寸供給料在近液相線等溫處理后，利用旋轉(zhuǎn)電磁場攪拌制取半固態(tài)漿料進(jìn)行流變成形.AZ91鎂合金的加工工藝，設(shè)計(jì)并制作了一套試驗(yàn)裝置。利用該裝置試驗(yàn)澆注了一系列固相率為3％到40％流變成形件。完成了鑄件的金相分析，研究了鑄件拉伸性能和微觀組織相互關(guān)系，并利用連續(xù)剖面的二維圖像構(gòu)建初生固相顆粒

4、聚團(tuán)三維結(jié)構(gòu)和形貌，討論了在該工藝下觸變性結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：金屬熔體緩慢冷卻過程中施加旋轉(zhuǎn)電磁場進(jìn)行攪拌后，在低固相率條件下，由于攪拌作用在熔體中形成了均勻的溫度場和溶質(zhì)濃度分布，因而形成以等軸枝晶為基體的凝固組織，同時(shí)在熔體中形成的初生相顆粒數(shù)目較少，初生相顆粒在液相基體中存活并長大，在最終凝固組織中形成松散的顆粒聚團(tuán)。隨著澆注溫度的降低，固相率上升導(dǎo)致了初生相顆粒數(shù)目增多，強(qiáng)烈攪拌引起固相顆粒間的相互作用，造成相鄰顆粒

5、間的摩擦和塑性變形，因此形成與低固相率鑄件組織中不同的初生顆粒聚團(tuán)結(jié)構(gòu)，亦即高固相率微觀組織中的顆粒聚團(tuán)結(jié)構(gòu)是許多顆粒焊合在一起形成的緊密結(jié)構(gòu)，在基體中鏈接成剛性架構(gòu)。高、低固相率鑄件中這種聚團(tuán)結(jié)構(gòu)特征決定了兩者在外力作用下不同的斷裂行為和拉伸性能；另外，固相率的增加主要是以形成新晶粒的方式來實(shí)現(xiàn)的。 2、研究和分析了在液固兩相區(qū)內(nèi)等溫處理過程中，高固相體積分?jǐn)?shù)條件下AZ91鎂合金的組織演變過程。結(jié)果表明：在體系自由能(界面能)

6、降低的驅(qū)動(dòng)下，晶界處的共晶組織首先熔化；隨著溫度的上升，次枝晶臂熔斷，并重新沉淀在主干上；固相顆粒由于體表曲率差效應(yīng)發(fā)生Ostwald熟化過程，枝晶組織演變成球形顆粒。熟化過程中形成晶內(nèi)小液滴有兩種方式：其一是由晶內(nèi)富Al的質(zhì)點(diǎn)經(jīng)過熔化、擴(kuò)散、合并形成；另一種就是在熟化過程中由于脫落的枝晶臂沉淀生長時(shí)搭橋形成。同時(shí)建立了枝晶在等溫處理過程中演變成球形晶粒的模型，根據(jù)Gibbs-Thomson效應(yīng)推出球化所需時(shí)間計(jì)算公式：t=k△sfml

7、cl/96dlvm d3+HCL(1-K)mLd3/dLT [φ(fg)]3[ln(1-f)+f+0.5f2]. 3、研發(fā)了在高速運(yùn)動(dòng)的金屬液內(nèi)應(yīng)用循環(huán)冷卻手段制取半固態(tài)漿料的新工藝。循環(huán)冷卻水管在和金屬流體快速熱交換過程中，促進(jìn)金屬液爆發(fā)形核并降溫至兩相區(qū)內(nèi)，形成高密度晶核懸浮分散在液相中的半固態(tài)漿料，實(shí)現(xiàn)細(xì)晶化、凈終形的鑄件成形。實(shí)驗(yàn)過程中組合利用U型冷卻水管和旋轉(zhuǎn)電磁場來滿足這一工藝要求，應(yīng)用A356鋁合金實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：向

8、電磁場驅(qū)動(dòng)的高速旋轉(zhuǎn)的金屬液中插入循環(huán)冷卻水管，可以快速帶走金屬液的熱量，促進(jìn)在金屬液中形成高密度晶核并降溫至兩相區(qū)內(nèi)；旋轉(zhuǎn)電磁場促進(jìn)了晶核、溶質(zhì)、溫度在液相中的均勻分布；高密度晶核的存在為晶粒以球形方式生長和凝固組織細(xì)化提供了必要前提。 4、應(yīng)用阻尼冷卻效應(yīng)設(shè)計(jì)了一種半固態(tài)漿料的制備工藝，加工了一套實(shí)驗(yàn)裝置，并進(jìn)行了A356鋁合金的一系列實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：由于阻尼冷卻管的冷卻和攪拌作用，低過熱度的金屬液降溫至兩相區(qū)內(nèi)，同時(shí)金