A201铝合金高固相分数半固态压铸行为与组织性能研究

发布时间：2020-04-21 22:59

【摘要】：高固相分数半固态压铸在充型过程中浆料流动平稳,能有效减少卷气等压铸缺陷,适合制备对组织性能要求高的结构件产品。本文以一种Al-Cu-Mg-Ag合金——A201高强铝合金为实验材料,研究了二次加热过程中A201铝合金半固态组织的演变规律,采用旋转热焓平衡法设备(Swirl Enthalpy Equilibration Device,SEED),研究了工艺参数对A201铝合金高固相分数流变浆料组织形貌的影响规律,分析了浆料制备过程中的温度场变化及浆料冷却行为,探讨了SEED工艺下球晶组织的形核长大机理,设计了半固态压铸热裂评价模具,研究了 A201铝合金不同半固态压铸工艺下的热裂倾向,最后半固态压铸成形了高端复杂零部件压叶轮。本论文的主要研究内容和结果如下:DSC分析表明,在A201铝合金高固相分数半固态浆料制备过程中,可以适当的通过降低升温或者冷却速率来获得更大的工艺窗口。在二次加热过程中,随着保温时间的延长,A201铝合金坯料固相颗粒形状因子变化不明显,但颗粒持续以体扩散控制的方式长大,根据LSW模型算得晶粒粗化速率为940μm3/s。应用SEED工艺制备了 A201铝合金高固相分数流变浆料。结果表明:在SEED工艺中可以通过适当降低浇注温度,减少旋转冷却时间的方式获得晶粒细小圆整、分布均匀的半固态浆料。在浇注温度为660℃,冷却时间为65s参数下,能够制备出心部和中部初生α-Al晶粒尺寸为68μm,整体较为均匀的A201铝合金高固相分数半固态坯料。系统研究了SEED制浆过程中的熔体冷却行为。制浆过程可以分为两个阶段:激冷阶段和平缓降温阶段。由于坩埚壁的激冷作用,在熔体内部形成三个温度区。三者温差随时间增加而逐渐减小。降低坩埚外壁的传热,可以显著改变浆料内部的温度场分布,减小浆料边部到心部的温差,明显提高了A201铝合金半固态浆料组织均匀性,初生α-Al晶粒更加均匀圆整,边部的枝晶层基本消失。对后续改进SEED制浆坩埚的设计,提高SEED制备浆料的质量提供了实验依据。研究分析了 SEED工艺下晶粒的形核及近球形/球形的生长机制。SEED浆料的晶核主要来源于两个部分:一是低过热度浇注下,熔体在坩埚的激冷作用下形成了大量晶核;二是合金熔体迅速降温到过冷状态下,液相发生了整体形核。在激冷阶段,界面张力对界面稳定性起主导作用,同时熔体中存在较大的温度梯度和较强的对流混合作用,抑制了成分过冷,初生α-Al球晶能维持界面稳定;在弱对流的平缓冷却阶段,在高密度晶粒和低速冷却的条件下,由于晶粒之间浓度场和温度场的叠加,减小了界面前沿的溶度梯度和温度梯度,溶质的分布更为均匀,因此提高了界面稳定性,使初生α-Al能够继续保持球形生长。设计了半固态压铸热裂评价模具,建立了半固态压铸的热裂倾向评价方法。铸造压力越高,A201铝合金试棒的热裂倾向越低,当压力从30MPa增加到90MPa,热裂敏感性指数从38降到0.3,在本研究中,半固态成形组织晶粒保持了近球形和蔷薇颗粒状,液体在压力较低时也能实现有效补缩,热裂倾向降低的最主要原因是增加压力更大的补偿了铸件内部收缩应力。当模具温度从50℃升高到200℃,热裂敏感性指数从35降低到3。验证了高性能铝合金高固相分数半固态成形高端复杂零部件的工程化应用前景。通过提高模具温度,改善了 A201铝合金半固态浆料的对压叶轮叶片的充填能力,同时增加铸造压力可以有效提高A201铝合金半固态压叶轮内部的组织致密性。最后制备出了高质量的A201铝合金压叶轮铸件,相比319s铝合金半固态叶轮和2618铝合金锻造叶轮产品的力学性能更高,经过T71热处理后,屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为402MPa、475MPa和7.3%。
【图文】：

、机械装备、电子电气、建筑、包装、耐用品等领域得消费量近次于钢铁的第二金属。２０１５年，世界原铝产量２－１所示，创历史新高，其中我国的产量占到５４．７％＾然己经成为铝消费第一大国，但是我国的铝消费结构与区相比还有较大差距。２０１０年，在北美、西欧和日本，量最高，超过消费总量的１／３，其次是机械装备业、建筑国，铝消费量最高的是建筑业，其次是电子电气行业，再］。逡逑别反映出铝合金在我国交通运输业的推广应用不到位，。以汽车工业为例，，２０１２年我国汽车平均用铝量仅为１上世纪末的水平，如图２－２所示。德国奥迪公司推铝合金使用量在２００２年就己经达到了邋２７７ｋｇ，其中包量６１邋ｋｇ）、３１件铸件（总重量３９邋ｋｇ）和１７７件薄板（总重量还在不断改进，铝合金使用量还在不断提升［１４１逡逑６０００邋－邋＿＿邋＿＿邋邋邋－■逦逡逑－逡逑

在交通运输、机械装备、电子电气、建筑、包装、耐用品等领域得到广泛应逡逑用，成为了消费量近次于钢铁的第二金属。２０１５年，世界原铝产量达到５７８９逡逑万吨，如图２－１所示，创历史新高，其中我国的产量占到５４．７％＾。逡逑我国虽然己经成为铝消费第一大国，但是我国的铝消费结构与欧美等发逡逑达国家和地区相比还有较大差距。２０１０年，在北美、西欧和日本，交通运输逡逑业的铝消费量最高，超过消费总量的１／３，其次是机械装备业、建筑业和包装逡逑业［８］。在我国，铝消费量最高的是建筑业，其次是电子电气行业，再次才是交逡逑通运输业［９］。逡逑这种差别反映出铝合金在我国交通运输业的推广应用不到位，还有很大逡逑的提升空间。以汽车工业为例，２０１２年我国汽车平均用铝量仅为１０８ｋｇ，相逡逑当于欧美在上世纪末的水平，如图２－２所示。德国奥迪公司推出的Ａ８汽逡逑车
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TG249.2;TG146.21

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本文编号：2635839