基于非晶合金铸造的界面换热系数与流动性研究
发布时间：2021-07-10 06:18
近年来,非晶态合金微观上表现为短程有序,结构独特,使其具备优良的机械性能和良好的力学性能。另外,许多非晶合金材料并不具备完整的晶粒结构,使其具备优良的磁性能和较好的抗腐蚀性能,有望在生物、医疗、航空航天、电子科技等诸多领域成为具有广阔应用前景的材料。然而,如果选择采用铸造工艺成形非晶合金,为了获得轮廓较为清晰、外形完好的非晶合金铸件,通常要求合金液体缓慢冷却,但是要获得完全非晶态结构,又要求合金熔体必须达到较大的冷却速度,这是采用铸造工艺成形非晶合金过程中的一个长期存在的矛盾。基于此,本文采用理论分析与数值模拟相结合的方式,研究粘度参数对润湿过程的影响,尝试增加模具表面纹路来改善流动性,以及铸造工艺参数的变化来提高较高粘度的非晶合金的铸造充型能力,初步给出了Zr基非晶反射镜成型过程适合的工艺条件。通过对ZL104与Al87Ni10Pr3合金以及Zr41Ti14Cu12.5Ni10Be22.5三种不同合金相关热物性参数的分析,建立了粘度与表面张力以及金属液对铸型润湿特性之间的关系,通过分子动力学理论和状态方程途径结合可以推导得到润湿角和表面张力之间的关系（?）,铸型基底材料相同时,熔体与...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：95 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
晶体与非晶体的自由能对比图[4]
ФЪ纯沙尚巍＞」苷馐且桓鐾黄菩缘慕?梗??墙鹗纛俪杀竟?撸?鲈谘?术方面有较多的研究。上世纪80年代末，Inoue等人[9]制备了棒材非晶合金，其成分为La55Al25Ni20，这是第一次制备出大块非晶合金中没有贵金属元素。从上世纪末开始，大块金属玻璃的研究出现了许多新的进展成果[10]。1993年，Johnson通过水淬在Zr-Ti-Be-Ni-Cu系统中形成了直径为12mm的块状玻璃合金棒。从那时起，对稳定的过冷液体和块状玻璃合金的研究引起人们的迅速关注。在接下来的几十年中，稳定的过冷液体和块状玻璃态合金受到了广泛的研究[11]。图1-2为在各种合金系中开发的创纪录尺寸的大块金属玻璃（BMG）及其发现年份[7]。图1-2在各种合金系中创纪录尺寸的大块金属玻璃（BMG）及其发现年份[7]1.2.2非晶合金的制备技术随着科技的高速发展，出现了许多可以用来制备非晶合金的工艺方法，近年来，出现了一些一些新的成型工艺用于制备非晶合金，目前成形方法主要基于以下两种：凝固法和固化法[12]。1.2.2.1水淬法水淬法是指将石英管抽成10-3Pa的高真空状态，将其中的母合金加热到熔化后，将其与石英管一起迅速置于水中，以此来获得足够大的冷却速度，从而制备出块体金属玻璃。水淬法相比于其他方法操作较为简单，冷却速率较大，而通过此方法制备得到的非晶合金表面比较光洁，因此经常用于制备非晶合金。黎业生等通过水淬法制备出了2mm左右的两种成分的片状非晶合金，一种是Mg65Cu25Y10，另一种是Mg60Cu30YI0，并通过热稳定性分析得到Mg65Cu25Y10和Mg60Cu30YI0的过冷液态区宽△Tx=Tx-Tg和约化玻璃转变温度（Tg/Tm）分别为55.9K，0.559；48.3K，0.563。表明Mg60Cu30YI0比Mg65Cu25Y10更不容易形成非晶合金。Mg60Cu30Y
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文4金属玻璃的DTA曲线[13]。图1-3水淬Mg65Cu25Y10(a)和Mg60Cu30YI0(b)合金的DTA曲线(加热速率为20K/min)[13]季颖斐[14]等通过水淬获得Zr41Ti14Ni8Cu12.5Be22.5Fe2大块非晶合金。上海大学的肖学山[15]等人用水淬法制备研究了W丝/Zr基棒材。Tang等[16]使用金相方法优化非晶合金尺寸，开发了基于TiZr的大块非晶合金，选择了由初级自由树枝状形态的β-Ti相和非晶态基质组成的特殊结构。非晶相会抑制住晶相的生长。基于这种相组成，开发了直径超过50mm且性能优异的一类TiZr基（Ti36.1Zr33.2Ni5.8Be24.9）100-xCux（x=5、7和9），通过使用水淬技术成功制备。水淬法适合于形成块状非晶态合金，易于操作并且易达到较高的冷却速度。但是石英管会与母体材料发生反应而产生污染，母体材料更不容易形成非晶，反应物的形成一方面影响液体的冷却速度，另一方面容易形成异质形核质点，影响BMG的形成。因此，此方法只可应用于较大玻璃成型能力的系统。1.2.2.2铜模铸造法由于金属铜储存和传导热量的能力较强，因而在铸造中可以使铸件获得适合的冷却速率，是金属型铸造中较为常见的一种铸型材料。而块体非晶合金成形的最广泛使用的方法就是铜模铸造法[17]。如图1-4所示[8]，铜模铸造法的原理是将熔融合金直接浇注到由金属铜制成的有一定形状的金属型模具中，在铜的较大导热系数下完成快速降温。非晶合金铜模铸造中临界冷却速率受到熔体的熔炼次数的较大影响，多次熔炼可以消除熔融金属液中的形核质点，提高了金属液纯度，但是金属液在冷却过程中的的临界冷却速度下降明显，因此更加适用于较大尺寸的铸件成形。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于华铸CAE的航空发动机铝合金传动件铸造数值模拟与工艺优化[J]. 黄进,张勇佳,殷亚军,欧阳春芳,连凯文. 特种铸造及有色合金. 2019(08)
[2]基于Procast的上倾倒框铸造工艺设计优化[J]. 刘艺,王华. 热加工工艺. 2019(15)
[3]铸造充型过程数值模拟技术的研究现状与展望[J]. 阚精诚,刘继广,杨友文,方晓刚. 热加工工艺. 2019(13)
[4]特种X-Cr-V非晶合金带的制备及力学性能研究[J]. 韩小军. 产业与科技论坛. 2018(23)
[5]块体非晶合金铸造成形的研究现状[J]. 杨玉婧,刘文超,郭栋,程冰瑶,马明臻,张新宇,刘日平. 特种铸造及有色合金. 2017(12)
[6]大块非晶合金研究进展[J]. 王立强,翟慎秋,丁锐,刘俊成. 铸造技术. 2017(02)
[7]非晶合金的性能、形成机理及应用[J]. 李翔,吕方,陈晨,赵旭,刘芳. 有色金属材料与工程. 2016(05)
[8]Recent Developments in Functional Crystals in China[J]. Jiyang Wang,Haohai Yu,Yicheng Wu,Robert Boughton. Engineering. 2015(02)
[9]Thermal stability and magnetic properties of Fe–Co–M–Zr–Nb–Ge–B（M=Mo, Cr） bulk metallic glasses[J]. Min Xu,Qunjiao Wang. Progress in Natural Science:Materials International. 2014(02)
[10]非晶态物质的本质和特性[J]. 汪卫华. 物理学进展. 2013(05)
博士论文
[1]块体TiZr基非晶合金复合材料制备及组织与性能[D]. 马德强.燕山大学 2015
[2]基于有限差分法的铸造热应力数值模拟[D]. 王跃平.哈尔滨工业大学 2013
[3]A356合金熔体调控对流动性的影响机理研究[D]. 起华荣.昆明理工大学 2009
硕士论文
[1]磁导航磁芯用软磁钴基非晶合金的制备及其软磁性能研究[D]. 刘菲菲.湘潭大学 2019
[2]铝熔体与表面涂镀基底的润湿行为研究[D]. 徐雪源.沈阳航空航天大学 2019
[3]Fe-Si-B-P-C合金熔体粘度和表面张力的研究[D]. 李颖.钢铁研究总院 2018
[4]镁基块体非晶合金的成型过程及组织缺陷研究[D]. 杨勇.上海工程技术大学 2016
[5]Cu-Zr-Al-Dy非晶合金晶化动力学及其力学性能的研究[D]. 崔立治.兰州理工大学 2014
[6]机械振动对液态金属表面张力的影响[D]. 谈世栋.重庆大学 2014
[7]空间相机800mm口径反射镜与支撑结构优化设计研究[D]. 王欣.中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所） 2014
[8]空间大口径反射镜优化设计及其支撑技术研究[D]. 王超.中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所） 2014
[9]大块铜基非晶合金制备与性能研究[D]. 杨珂.西安工业大学 2014
[10]基于VOF方法的气—液两相流动的数值计算[D]. 戴得志.南京航空航天大学 2014
本文编号：3275362
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：95 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
晶体与非晶体的自由能对比图[4]
ФЪ纯沙尚巍＞」苷馐且桓鐾黄菩缘慕?梗??墙鹗纛俪杀竟?撸?鲈谘?术方面有较多的研究。上世纪80年代末，Inoue等人[9]制备了棒材非晶合金，其成分为La55Al25Ni20，这是第一次制备出大块非晶合金中没有贵金属元素。从上世纪末开始，大块金属玻璃的研究出现了许多新的进展成果[10]。1993年，Johnson通过水淬在Zr-Ti-Be-Ni-Cu系统中形成了直径为12mm的块状玻璃合金棒。从那时起，对稳定的过冷液体和块状玻璃合金的研究引起人们的迅速关注。在接下来的几十年中，稳定的过冷液体和块状玻璃态合金受到了广泛的研究[11]。图1-2为在各种合金系中开发的创纪录尺寸的大块金属玻璃（BMG）及其发现年份[7]。图1-2在各种合金系中创纪录尺寸的大块金属玻璃（BMG）及其发现年份[7]1.2.2非晶合金的制备技术随着科技的高速发展，出现了许多可以用来制备非晶合金的工艺方法，近年来，出现了一些一些新的成型工艺用于制备非晶合金，目前成形方法主要基于以下两种：凝固法和固化法[12]。1.2.2.1水淬法水淬法是指将石英管抽成10-3Pa的高真空状态，将其中的母合金加热到熔化后，将其与石英管一起迅速置于水中，以此来获得足够大的冷却速度，从而制备出块体金属玻璃。水淬法相比于其他方法操作较为简单，冷却速率较大，而通过此方法制备得到的非晶合金表面比较光洁，因此经常用于制备非晶合金。黎业生等通过水淬法制备出了2mm左右的两种成分的片状非晶合金，一种是Mg65Cu25Y10，另一种是Mg60Cu30YI0，并通过热稳定性分析得到Mg65Cu25Y10和Mg60Cu30YI0的过冷液态区宽△Tx=Tx-Tg和约化玻璃转变温度（Tg/Tm）分别为55.9K，0.559；48.3K，0.563。表明Mg60Cu30YI0比Mg65Cu25Y10更不容易形成非晶合金。Mg60Cu30Y
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文4金属玻璃的DTA曲线[13]。图1-3水淬Mg65Cu25Y10(a)和Mg60Cu30YI0(b)合金的DTA曲线(加热速率为20K/min)[13]季颖斐[14]等通过水淬获得Zr41Ti14Ni8Cu12.5Be22.5Fe2大块非晶合金。上海大学的肖学山[15]等人用水淬法制备研究了W丝/Zr基棒材。Tang等[16]使用金相方法优化非晶合金尺寸，开发了基于TiZr的大块非晶合金，选择了由初级自由树枝状形态的β-Ti相和非晶态基质组成的特殊结构。非晶相会抑制住晶相的生长。基于这种相组成，开发了直径超过50mm且性能优异的一类TiZr基（Ti36.1Zr33.2Ni5.8Be24.9）100-xCux（x=5、7和9），通过使用水淬技术成功制备。水淬法适合于形成块状非晶态合金，易于操作并且易达到较高的冷却速度。但是石英管会与母体材料发生反应而产生污染，母体材料更不容易形成非晶，反应物的形成一方面影响液体的冷却速度，另一方面容易形成异质形核质点，影响BMG的形成。因此，此方法只可应用于较大玻璃成型能力的系统。1.2.2.2铜模铸造法由于金属铜储存和传导热量的能力较强，因而在铸造中可以使铸件获得适合的冷却速率，是金属型铸造中较为常见的一种铸型材料。而块体非晶合金成形的最广泛使用的方法就是铜模铸造法[17]。如图1-4所示[8]，铜模铸造法的原理是将熔融合金直接浇注到由金属铜制成的有一定形状的金属型模具中，在铜的较大导热系数下完成快速降温。非晶合金铜模铸造中临界冷却速率受到熔体的熔炼次数的较大影响，多次熔炼可以消除熔融金属液中的形核质点，提高了金属液纯度，但是金属液在冷却过程中的的临界冷却速度下降明显，因此更加适用于较大尺寸的铸件成形。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于华铸CAE的航空发动机铝合金传动件铸造数值模拟与工艺优化[J]. 黄进,张勇佳,殷亚军,欧阳春芳,连凯文. 特种铸造及有色合金. 2019(08)
[2]基于Procast的上倾倒框铸造工艺设计优化[J]. 刘艺,王华. 热加工工艺. 2019(15)
[3]铸造充型过程数值模拟技术的研究现状与展望[J]. 阚精诚,刘继广,杨友文,方晓刚. 热加工工艺. 2019(13)
[4]特种X-Cr-V非晶合金带的制备及力学性能研究[J]. 韩小军. 产业与科技论坛. 2018(23)
[5]块体非晶合金铸造成形的研究现状[J]. 杨玉婧,刘文超,郭栋,程冰瑶,马明臻,张新宇,刘日平. 特种铸造及有色合金. 2017(12)
[6]大块非晶合金研究进展[J]. 王立强,翟慎秋,丁锐,刘俊成. 铸造技术. 2017(02)
[7]非晶合金的性能、形成机理及应用[J]. 李翔,吕方,陈晨,赵旭,刘芳. 有色金属材料与工程. 2016(05)
[8]Recent Developments in Functional Crystals in China[J]. Jiyang Wang,Haohai Yu,Yicheng Wu,Robert Boughton. Engineering. 2015(02)
[9]Thermal stability and magnetic properties of Fe–Co–M–Zr–Nb–Ge–B（M=Mo, Cr） bulk metallic glasses[J]. Min Xu,Qunjiao Wang. Progress in Natural Science:Materials International. 2014(02)
[10]非晶态物质的本质和特性[J]. 汪卫华. 物理学进展. 2013(05)
博士论文
[1]块体TiZr基非晶合金复合材料制备及组织与性能[D]. 马德强.燕山大学 2015
[2]基于有限差分法的铸造热应力数值模拟[D]. 王跃平.哈尔滨工业大学 2013
[3]A356合金熔体调控对流动性的影响机理研究[D]. 起华荣.昆明理工大学 2009
硕士论文
[1]磁导航磁芯用软磁钴基非晶合金的制备及其软磁性能研究[D]. 刘菲菲.湘潭大学 2019
[2]铝熔体与表面涂镀基底的润湿行为研究[D]. 徐雪源.沈阳航空航天大学 2019
[3]Fe-Si-B-P-C合金熔体粘度和表面张力的研究[D]. 李颖.钢铁研究总院 2018
[4]镁基块体非晶合金的成型过程及组织缺陷研究[D]. 杨勇.上海工程技术大学 2016
[5]Cu-Zr-Al-Dy非晶合金晶化动力学及其力学性能的研究[D]. 崔立治.兰州理工大学 2014
[6]机械振动对液态金属表面张力的影响[D]. 谈世栋.重庆大学 2014
[7]空间相机800mm口径反射镜与支撑结构优化设计研究[D]. 王欣.中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所） 2014
[8]空间大口径反射镜优化设计及其支撑技术研究[D]. 王超.中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所） 2014
[9]大块铜基非晶合金制备与性能研究[D]. 杨珂.西安工业大学 2014
[10]基于VOF方法的气—液两相流动的数值计算[D]. 戴得志.南京航空航天大学 2014
本文编号：3275362
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