半固態(tài)鋁合金漿料制備過程的多尺度模擬及優(yōu)化設(shè)計.pdf

1、半固態(tài)成形技術(shù)(Semi-Solid Metal Process,簡稱SSM)以其高效、高性能、低成本、節(jié)能環(huán)保等突出特點受到人們的廣泛關(guān)注。金屬半固態(tài)成形技術(shù)的工藝路線包括流變成形與觸變成形,其中觸變成形的方法發(fā)展較為成熟,工業(yè)化程度高,而漿料制備是觸變成形的關(guān)鍵,近液相線鑄造技術(shù)是獲得半固態(tài)漿料的簡單高效的方法之一。實際上,不是所有的合金都適于近液相線鑄造,而且不同工藝參數(shù)所得到的漿料的性能也不相同。為了獲得具有良好半固態(tài)成形性能和

2、使用性能的合金,人們需要進行大量的實驗研究,浪費了大量的人力物力,因此通過計算機模擬進行半固態(tài)合金設(shè)計就成為目前人們關(guān)注的課題。本文在國家自然科學基金的資助下,對半固態(tài)鋁合金的漿料制備過程進行了多尺度模擬及優(yōu)化設(shè)計,提出了用多尺度模擬進行半固態(tài)合金設(shè)計及制備工藝優(yōu)化的方法。
　　 本文針對半連續(xù)鑄造過程的特點,建立了描述金屬凝固過程的傳熱、傳質(zhì)以及液固相變的形核與長大模型。通過固相率變化將介觀尺度和宏觀尺度計算進行耦合,實現(xiàn)合金

3、凝固組織演變的多尺度模擬,并對ZL201合金和A356合金的微觀組織進行了多尺度模擬,模擬所得晶粒大小和晶粒形貌與實驗結(jié)果吻合,說明本文所建立的模型是正確的。
　　 對ZL201合金的半連續(xù)鑄造過程的溫度場進行了模擬,得到了不同的澆注溫度、鑄造速度、冷卻強度下的溫度場。對鑄造速度為2.0mm/s、冷卻水的換熱系數(shù)為1000W/(m2·K)、澆注溫度為922K條件下ZL201合金的微觀組織演變過程進行了模擬,得到了晶粒的長大方式和

4、長大過程、晶粒周圍的溶質(zhì)濃度變化規(guī)律,模擬結(jié)果與Dustin-Kurz、Rappaz-Thevoz和Kanetkar-Stefanescu模型吻合。
　　 對鑄造速度為2.0mm/s、冷卻水的換熱系數(shù)為1000 W/(m2·K)、澆注溫度高于液相線5K條件下Al-7wt％Si、Al-10wt％Si合金相的演變過程進行了模擬。初始階段,結(jié)晶核心呈枝晶形狀生長,并不斷向液相排出溶質(zhì),導(dǎo)致枝晶邊界的溶質(zhì)濃度較高。隨著溫度的降低,枝晶邊

5、界形成共晶組織,Al-7wt％Si合金的共晶組織呈彌散分布；Al-10wt％Si合金的共晶組織沿著晶界連續(xù)分布,同時晶界內(nèi)也存在大量灰色的共晶相；Al-10wt％Si合金中的共晶組織比Al-7wt％Si的共晶組織多。目前,在半固態(tài)成形研究領(lǐng)域尚未見到有關(guān)合金相演變過程多尺度模擬的文獻報道。
　　 本文提出了一個半固態(tài)合金組織評價的量化標準,為半固態(tài)合金設(shè)計及其制備工藝優(yōu)化提供了參考依據(jù)。對不同合金成分的鋁銅合金在不同的鑄造速度、

6、澆注溫度、冷卻水的換熱系數(shù)條件下的微觀組織進行了模擬,將得到的11組平均晶粒尺寸、平均晶粒圓度模擬結(jié)果用本文所提出的標準進行了衡量,得到了適合半固態(tài)加工的最佳合盒成分及其成形工藝條件:合金成分為Al-8wt％Cu、澆注溫度為922K、冷卻水換熱系數(shù)為1000W/(m2·K)、鑄造速度為2.0mm/s。對不同合金成分的鋁硅合金在不同的鑄造速度、澆注溫度、冷卻水的換熱系數(shù)條件下的微觀組織進行了模擬,將得到的6組平均晶粒尺寸、平均晶粒圓度模擬