铝合金机匣低压铸造过程数值模拟及工艺研究
发布时间：2021-07-30 04:42
随着航空航天轻量化的要求越来越高,铝合金被广泛用于制造铸件,且对铸件力学性能和冶金质量提出更高要求。低压铸造技术在铝合金成型方面具有独特优势,近年来得到了人们越来越多的重视。但是,我国在低压铸造方面的研究起步较晚,特别是在航空航天领域的应用很大程度上受到原有重力铸造工艺设计的影响,在复杂结构铸件低压铸造工艺设计方面缺乏理论依据。本文针对上述问题,系统研究了典型铝合金机匣铸件的低压铸造工艺与后续热处理对铸件缺陷及残余应力的影响。设计简单几何结构,通过FLOW-3D数值模拟研究了低压铸造过程中的型腔结构参数对金属液自由表面流动状态影响规律,探明了ZL114A的低压铸造临界充型速度。针对机匣铸件结构特点设计了五种浇注系统方案,并利用PROCAST对五种方案低压铸造过程进行了模拟,理清了机匣铸件缺陷控制思路,揭示了充型加压参数对铸件缺陷的影响规律与机制。最后,对铸件凝固及热处理过程的残余应力进行了分析,阐明了铸件在凝固成型以及热处理过程中的应力状态。主要研究结果如下:720℃的ZL114A合金熔体低压铸造临界充型速度在0.2m/s到0.3m/s之间,小于铝合金临界充型速度的理论值（0.5m/s...
【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】：105 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
表面膜卷入过程示意图[4]
厶迥诓康乃?隳と毕荩?诤笮?湫凸?程中都要受到流场的影响，随金属液流扭曲弯折甚至纠缠。因此可以认为，流场不但会造成双层膜，而且对其最终分布也有决定作用。除了流场之外，当然由于氧化薄膜与合金熔体之间的密度差造成的浮力也对其运动有影响。卷入的双层膜缺陷最终能否上浮与该密度差有关。对于密度较大的铜合金而言，卷入的双层膜缺陷通常能够在浮力作用下上浮（静态无流动情况下），但是对于铝合金和镁合金来说，熔体与氧化层的密度差并不足以使其迅速上浮，往往长时间保温静置熔体才能减少氧化层的相对含量[6]。图1-2自由表面收缩后引起的表面膜折叠[5]目前，已有很多研究证实了双层膜缺陷的存在。由于双层膜缺陷的“三明治”结构内部干面与干面难以结合，因此会在凝固的铸件内部形成微裂纹，成为拉伸过程中断裂的裂纹源，削弱基体的强度并降低延伸率。也正是因此，很多铝合金铸件的拉伸性能测试样品的断口上都能够观察到这种氧化层的存在。如图1-3所示[7]，为铝合金断口上观察到的氧化层，因为断口两面均含有氧化层，且两处氧化层形状刚好对称，印证了双层膜缺陷的折叠结构及其在拉伸断裂中的作用。悬浮在铝合金铸件双膜类似的裂纹性质会导致铸件过早失效，从而降低机械性能（拉伸强度，延展性和疲劳寿命）。Al-Si-Mg的铸态强度和延展性的降低与铝合金和试样断口缺陷（孔隙率和氧化膜）的面积分数有关。Campbell通过X射线观察到了铝合金铸件充型过程中的液流表面折叠现象，并对该浇注过程获得的试棒进行了力学测试，发现试棒延伸率仅为0.3%。而在同一铸件上，距离该紊流位置250mm的另一试棒中未发现紊流现象，此无紊流试棒的延伸率达到3%。Liu和Samuel[8]等人研究了在新合金、再生合金、具有不同搅拌时间的熔体、不同熔体的保温时间
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-4-条件下浇注的A356铸件。他们发现与其他夹杂物相比，氧化膜对机械性能的有害影响要大得多，并且在伸长率百分比夹杂物/氧化膜的面积百分比的对数之间建立了线性关系。图1-3铸造镁合金断口形貌中的对称氧化膜结构[7]Mi等人[9]检测了不同充型条件下Al-4.5Cu铸件的抗拉强度，结果表明，随着充型流速增加，铸件抗拉强度下降。当充型卷入的氧化物含量增加到15±2％时，铸件的抗拉强度的Weibull模数从36急剧下降到13，之后氧化物含量继续增加，抗拉强度的Weibull统计模数保持不变。Jiang[10]发现Al-7Si-Mg铸件的疲劳裂纹由试样表面附近的氧化膜（呈折叠或缠结形式）位置萌生。Nyahumwa[11]对Al-7Si-Mg合金进行了疲劳实验，采用有过滤和没有过滤的底注式浇注系统浇注铸件。对浇注获得的铸件进行抛光后发现，底注式带有过滤网的铸件表面光滑完整，而不使用过滤网的铸件表面出现大量网状缠结的氧化物形貌。且使用过滤网浇注的铸件疲劳寿命明显高于不使用过滤网浇注的铸件。且断口分析表明疲劳裂纹是由氧化膜缺陷位置萌生的。在未加过滤的铸件和加过滤的铸件中，旧氧化物均充当疲劳裂纹的裂纹源，但在未加过滤网的铸件中，还发现了新卷入的薄氧化膜缺陷和附着在这些氧化膜上的气孔作为疲劳裂纹的裂纹源。此外，加过滤网的铸件疲劳断裂过程中滑移机制的贡献比未加过滤网的铸件更大。通过两参数Weibull统计分析氧化膜缺陷与铸件疲劳寿命的关系，表面新卷入的氧化膜比旧的氧化膜对疲劳寿命危害更大[12]。Haberl[13]等人对LM25铸件的疲劳寿命进行了研究，发现随着熔体中氧化物含量减低，铸件疲劳寿命循环次数从120000增加到了220000。除此之外，双层膜缺陷还是缩松和气孔的形成基底，并且对合金中析出相的形貌也有影响。
【参考文献】：
期刊论文
[1]双膜缺陷在ZL101A合金石膏型精铸缩松形成中作用研究[J]. 王狂飞,乔江涛,南红艳,刘宝忠,孙尚松. 铸造. 2018(05)
[2]应用无量纲Niyama判据优化大型薄壁铸件浇冒系统[J]. 康茂东,王俊,高海燕,王国祥,何树先. 铸造技术. 2017(07)
[3]半固态锌合金的凝固传热与固相率[J]. 张莹,周志磊,陈杨华,贾国瑞,马强. 金属热处理. 2013(11)
[4]基于ProCAST的铸造应力数值模拟探讨[J]. 杨远平,张榜英,陶韵晖. 热加工工艺. 2012(19)
[5]汽车铸件低压铸造的临界加压速度数值模拟研究[J]. 赵志刚,施得运. 热加工工艺. 2011(23)
[6]特大型铝合金导体金属型低压铸造工艺的探讨[J]. 孙起立. 特种铸造及有色合金. 2010(09)
[7]低压铸造充型工艺的国内研究现状[J]. 施得运,毛红奎,徐宏,薛莉. 热加工工艺. 2010(17)
[8]铝合金轮毂奔向汽车的未来[J]. 刘道春. 有色金属加工. 2010(02)
[9]浅谈中国铝轮毂产业竞争力的提升[J]. 唐学庆. 黑龙江科技信息. 2009(03)
[10]汽车壳体低压铸造工艺与模具设计[J]. 陈宗民. 热加工工艺. 2008(01)
博士论文
[1]反重力铸造充型过程的水力学特征和氧化膜卷入机制[D]. 刘闪光.哈尔滨工业大学 2016
硕士论文
[1]ZL205A合金铸造过程粘弹塑性本构模型及筒形件变形规律[D]. 史玉童.哈尔滨工业大学 2017
[2]曲轴箱体金属型低压铸造过程数值模拟及工艺研究[D]. 赵信毅.哈尔滨工业大学 2013
[3]电磁低压铸造电磁力补偿模型实验研究[D]. 郭秀琴.中北大学 2010
[4]AZ31镁合金板材温热高速率本构关系研究[D]. 薛翠鹤.武汉理工大学 2010
本文编号：3310716
【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】：105 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
表面膜卷入过程示意图[4]
厶迥诓康乃?隳と毕荩?诤笮?湫凸?程中都要受到流场的影响，随金属液流扭曲弯折甚至纠缠。因此可以认为，流场不但会造成双层膜，而且对其最终分布也有决定作用。除了流场之外，当然由于氧化薄膜与合金熔体之间的密度差造成的浮力也对其运动有影响。卷入的双层膜缺陷最终能否上浮与该密度差有关。对于密度较大的铜合金而言，卷入的双层膜缺陷通常能够在浮力作用下上浮（静态无流动情况下），但是对于铝合金和镁合金来说，熔体与氧化层的密度差并不足以使其迅速上浮，往往长时间保温静置熔体才能减少氧化层的相对含量[6]。图1-2自由表面收缩后引起的表面膜折叠[5]目前，已有很多研究证实了双层膜缺陷的存在。由于双层膜缺陷的“三明治”结构内部干面与干面难以结合，因此会在凝固的铸件内部形成微裂纹，成为拉伸过程中断裂的裂纹源，削弱基体的强度并降低延伸率。也正是因此，很多铝合金铸件的拉伸性能测试样品的断口上都能够观察到这种氧化层的存在。如图1-3所示[7]，为铝合金断口上观察到的氧化层，因为断口两面均含有氧化层，且两处氧化层形状刚好对称，印证了双层膜缺陷的折叠结构及其在拉伸断裂中的作用。悬浮在铝合金铸件双膜类似的裂纹性质会导致铸件过早失效，从而降低机械性能（拉伸强度，延展性和疲劳寿命）。Al-Si-Mg的铸态强度和延展性的降低与铝合金和试样断口缺陷（孔隙率和氧化膜）的面积分数有关。Campbell通过X射线观察到了铝合金铸件充型过程中的液流表面折叠现象，并对该浇注过程获得的试棒进行了力学测试，发现试棒延伸率仅为0.3%。而在同一铸件上，距离该紊流位置250mm的另一试棒中未发现紊流现象，此无紊流试棒的延伸率达到3%。Liu和Samuel[8]等人研究了在新合金、再生合金、具有不同搅拌时间的熔体、不同熔体的保温时间
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-4-条件下浇注的A356铸件。他们发现与其他夹杂物相比，氧化膜对机械性能的有害影响要大得多，并且在伸长率百分比夹杂物/氧化膜的面积百分比的对数之间建立了线性关系。图1-3铸造镁合金断口形貌中的对称氧化膜结构[7]Mi等人[9]检测了不同充型条件下Al-4.5Cu铸件的抗拉强度，结果表明，随着充型流速增加，铸件抗拉强度下降。当充型卷入的氧化物含量增加到15±2％时，铸件的抗拉强度的Weibull模数从36急剧下降到13，之后氧化物含量继续增加，抗拉强度的Weibull统计模数保持不变。Jiang[10]发现Al-7Si-Mg铸件的疲劳裂纹由试样表面附近的氧化膜（呈折叠或缠结形式）位置萌生。Nyahumwa[11]对Al-7Si-Mg合金进行了疲劳实验，采用有过滤和没有过滤的底注式浇注系统浇注铸件。对浇注获得的铸件进行抛光后发现，底注式带有过滤网的铸件表面光滑完整，而不使用过滤网的铸件表面出现大量网状缠结的氧化物形貌。且使用过滤网浇注的铸件疲劳寿命明显高于不使用过滤网浇注的铸件。且断口分析表明疲劳裂纹是由氧化膜缺陷位置萌生的。在未加过滤的铸件和加过滤的铸件中，旧氧化物均充当疲劳裂纹的裂纹源，但在未加过滤网的铸件中，还发现了新卷入的薄氧化膜缺陷和附着在这些氧化膜上的气孔作为疲劳裂纹的裂纹源。此外，加过滤网的铸件疲劳断裂过程中滑移机制的贡献比未加过滤网的铸件更大。通过两参数Weibull统计分析氧化膜缺陷与铸件疲劳寿命的关系，表面新卷入的氧化膜比旧的氧化膜对疲劳寿命危害更大[12]。Haberl[13]等人对LM25铸件的疲劳寿命进行了研究，发现随着熔体中氧化物含量减低，铸件疲劳寿命循环次数从120000增加到了220000。除此之外，双层膜缺陷还是缩松和气孔的形成基底，并且对合金中析出相的形貌也有影响。
【参考文献】：
期刊论文
[1]双膜缺陷在ZL101A合金石膏型精铸缩松形成中作用研究[J]. 王狂飞,乔江涛,南红艳,刘宝忠,孙尚松. 铸造. 2018(05)
[2]应用无量纲Niyama判据优化大型薄壁铸件浇冒系统[J]. 康茂东,王俊,高海燕,王国祥,何树先. 铸造技术. 2017(07)
[3]半固态锌合金的凝固传热与固相率[J]. 张莹,周志磊,陈杨华,贾国瑞,马强. 金属热处理. 2013(11)
[4]基于ProCAST的铸造应力数值模拟探讨[J]. 杨远平,张榜英,陶韵晖. 热加工工艺. 2012(19)
[5]汽车铸件低压铸造的临界加压速度数值模拟研究[J]. 赵志刚,施得运. 热加工工艺. 2011(23)
[6]特大型铝合金导体金属型低压铸造工艺的探讨[J]. 孙起立. 特种铸造及有色合金. 2010(09)
[7]低压铸造充型工艺的国内研究现状[J]. 施得运,毛红奎,徐宏,薛莉. 热加工工艺. 2010(17)
[8]铝合金轮毂奔向汽车的未来[J]. 刘道春. 有色金属加工. 2010(02)
[9]浅谈中国铝轮毂产业竞争力的提升[J]. 唐学庆. 黑龙江科技信息. 2009(03)
[10]汽车壳体低压铸造工艺与模具设计[J]. 陈宗民. 热加工工艺. 2008(01)
博士论文
[1]反重力铸造充型过程的水力学特征和氧化膜卷入机制[D]. 刘闪光.哈尔滨工业大学 2016
硕士论文
[1]ZL205A合金铸造过程粘弹塑性本构模型及筒形件变形规律[D]. 史玉童.哈尔滨工业大学 2017
[2]曲轴箱体金属型低压铸造过程数值模拟及工艺研究[D]. 赵信毅.哈尔滨工业大学 2013
[3]电磁低压铸造电磁力补偿模型实验研究[D]. 郭秀琴.中北大学 2010
[4]AZ31镁合金板材温热高速率本构关系研究[D]. 薛翠鹤.武汉理工大学 2010
本文编号：3310716
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