内置电磁搅拌制备大规格高强韧铝合金铸锭研究
发布时间：2021-08-15 06:00
目前,全球航空航天和轨道交通产业正处于高速发展阶段,需要大量高性能材料为其保驾护航。在众多高性能材料之中,大规格高强韧铝合金占据着举足轻重的地位。航空航天和轨道交通用高强韧铝合金通常为变形件,因此其性能一方面取决于变形工艺,另一方面也取决于变形加工的基础——铸锭。但是,随着铸锭规格的增大,组织粗大、不均匀以及宏观偏析等问题愈发严重,极大地削弱了材料的服役性能。传统电磁搅拌法通常施加于熔体外部,由于交变电磁场存在集肤效应,因此只能解决较小规格铸锭中存在的这些问题,对直径超过600mm的铸锭的搅拌效果则大打折扣。为此,本文发明了在熔体内部施加兼具冷却功能的电磁搅拌新方法——内置电磁搅拌,开展了内置电磁搅拌半连续铸造制备大规格高强韧铝合金铸锭的数值模拟和实验研究,具体的研究内容和研究结果如下:（1）建立了温度场、速度场和电磁场相耦合的内置电磁搅拌半连续铸造数学模型,通过数值模拟考察了内置电磁搅拌产生磁场的基本规律,验证了内置电磁搅拌法的可行性和高效性,探究了半连续铸造过程中内置电磁搅拌的电流频率、中心冷却位置和冷却强度对熔体速度场和温度场的影响,确定了较为适宜的半连续铸造和内置电磁搅拌工艺参...
【文章来源】：北京有色金属研究总院北京市
【文章页数】：150 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．丨早期铸造技术丨８Ｉ〗：?（ａ）ＺＵｂｌｉｎ技术，（ｂ）倾斜浇注技术，（ｃ）浸没结晶器技术??（一）Ｊｕｎｇｈａｎｓ铸造技术??在２０世纪３０年代，ＪｕｎｇｈａｉＷ８２ｌ将水冷结晶器应用于制备铸锭，并且在铸造过程??
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?＼＿ｍ＾???（三）热顶铸造技术??随着研究的深入，学者们发现当铸造液位过高时，热应力较大、过渡区较宽、气??隙和拉漏的风险较大［８１］。为了降低液位高度，雷诺金属公司的ＭｏｒｉｔｚｔＭ在１９５８年提??出了利用绝热材料隔离开结晶器上部的熔体，通过调节绝热材料的插入深度来控制结??晶器的有效高度，如图１．４?（ａ）所示。在此基础上，英国铝业的ＦｕｍｅＳＳ［８８］在１９７３年??将耐火材料应用于结晶器上方的熔体盛放装置之中，并将之命名为“热顶”，如图１．４??（ｂ）所示。自此，热顶半连续铸造技术登上了铸锭制备的历史舞台并一直沿用至今。??Ｒｅｆｒａｃｔｏｒｙ?ｈｏｔ?ｔｏｐ??（ａ）?（ｂ）丨■?＞＞７、、?］??Ｒｅｆｒａｃｔｏｒｙ?ｉｒｔｓｅｒｔ?＾ＶＸａ／??ａＬｉ?ｉｉ?－＿ｃ＿ＭｅＫ?参＇?＝??图１．４不同热顶铸造技术丨８｜ｌ：?（ａ）?Ｍｏｒｉｔｚ技术；（ｂ）?Ｆｕｒｎｅｓｓ技术??（四）气滑铸造技术??１９７７年，ＭｉｔａｍｍＷ８９＾！出在结晶器壁通入由气体和润滑油组成的混合物来控制??结晶器内热量的传递。１９８５年，瓦格斯塔夫公司将其改进为“气滑”结晶器，如图??１．５所示，其原理是由气体和润滑油组成的混合物通过多孔石墨环进入结晶器内表面，??既可以起到润滑的作用，也可以改善结晶器与铸锭之间的热量传递，进而可显著提高??铸锭的表面质量。张文静等采用气滑铸造技术，制备出了组织细孝凝壳较雹表??面质量良好的２０２４铝合金铸锭。Ｙｕ等［９２］利用热阻理论建立了气滑结晶器的传热模??型，探究了石墨环与水冷结晶器壁之间的接触热阻对结晶器内传热及温度分布的影响，??提出了气滑结晶器结构设计的
【参考文献】：
期刊论文
[1]7075铝合金Ф482 mm铸锭热顶铸造工艺试验研究[J]. 赵扬,寇明珠,孙庆福,杨松渝,吕鑫,黄博. 轻合金加工技术. 2019(05)
[2]多源超声对2219铝合金铸锭凝固组织和成分偏析的影响[J]. 杨林学,张立华,李瑞卿. 材料热处理学报. 2019(03)
[3]中国二重研制的主起外筒锻件通过装机评审 将装备于C919客机[J]. 装备制造与教育. 2019(01)
[4]Numerical modeling of annular electromagnetic stirring with intercooling in direct chill casting of 7005 aluminum alloy billet[J]. Yajun Luo,Zhifeng Zhang. Progress in Natural Science:Materials International. 2019(01)
[5]超声场对不同粗糙度的辐射杆端面空蚀行为的影响[J]. 许滔,董方,李晓谦. 热加工工艺. 2019(01)
[6]大直径铝锭热顶铸造中超声施振深度的细晶机制[J]. 王莹,李晓谦,李瑞卿,田阳. 工程科学学报. 2019(01)
[7]中国商飞公司市场预测年报（摘要）（2018-2037）[J]. 大飞机. 2018(11)
[8]超声铸造对汽车A356铝合金组织和力学性能的影响[J]. 石昊昱,叶升强. 热加工工艺. 2018(19)
[9]环缝式电磁搅拌对Al-Zn-Mg-Cu合金组织的影响[J]. 关天洋,张志峰,李泽琛,李豹,王平. 特种铸造及有色合金. 2018(08)
[10]基于拓展连续模型的2024铝合金半连铸过程中的宏观偏析数值模拟（英文）[J]. 罗海军,介万奇,高志明,郑永健. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2018(05)
博士论文
[1]大规格7系铝合金铸锭均冷环缝式电磁搅拌铸造技术研究[D]. 罗亚君.北京有色金属研究总院 2018
[2]7075合金大直径铸锭均质化技术研究[D]. 王海军.北京科技大学 2015
[3]环缝式电磁搅拌理论与工艺研究[D]. 汤孟欧.北京有色金属研究总院 2012
[4]2618耐热铝合金的组织与力学性能的研究[D]. 王建华.中南大学 2003
硕士论文
[1]超声铸造对7085铝合金组织、强韧性及耐蚀性的影响[D]. 刘宇.中南大学 2014
[2]超声外场对7085铝合金铸造微观偏析及第二相形成的影响[D]. 黄明哲.中南大学 2014
[3]2A14铝合金热压缩变形流变行为研究[D]. 郭伦文.中南大学 2013
[4]7XXX铝合金热顶半连续铸造的数值模拟[D]. 胡谦谦.中南大学 2012
[5]7050铝合金圆锭超声铸造微观组织及热裂敏感性研究[D]. 张雪.中南大学 2010
[6]含微量钪、锆的Al-Cu-Mg合金组织与性能[D]. 王华.中南大学 2008
[7]超塑预处理对高强铝合金7A04和2024的性能影响研究[D]. 郑青春.中南大学 2005
本文编号：3343994
【文章来源】：北京有色金属研究总院北京市
【文章页数】：150 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．丨早期铸造技术丨８Ｉ〗：?（ａ）ＺＵｂｌｉｎ技术，（ｂ）倾斜浇注技术，（ｃ）浸没结晶器技术??（一）Ｊｕｎｇｈａｎｓ铸造技术??在２０世纪３０年代，ＪｕｎｇｈａｉＷ８２ｌ将水冷结晶器应用于制备铸锭，并且在铸造过程??
?＼ｍ＾???⑷?（ｂ）?（Ｃ）?’圍＾画??睛—量??ＭｏｋＪ?ｍ?ａｎ?ｉｎｔｅｒｍｅｄｔａｔｅ???打’＾??ｄｕｒｉｎｇ?ｃａｓｔｉｎｇ??图１．丨早期铸造技术丨８Ｉ〗：?（ａ）ＺＵｂｌｉｎ技术，（ｂ）倾斜浇注技术，（ｃ）浸没结晶器技术??（一）Ｊｕｎｇｈａｎｓ铸造技术??在２０世纪３０年代，ＪｕｎｇｈａｉＷ８２ｌ将水冷结晶器应用于制备铸锭，并且在铸造过程??中对结晶器润滑，同时使其上下振动以防止铸锭与结晶器壁之间发生粘连，如图１．２??所示。相较于金属型铸造，Ｊｕｎｇｈａｎｓ铸造法提高了生产的自动化程度，而且工艺稳定，??因此提高了生产效率。但是结晶器壁的散热能力有限，心部熔体的热量无法有效地向??外传导，因此液穴较深和径向上温度梯度过大等问题始终未能解决，组织不均匀和宏??观偏析严重等现象在较大规格铸锭中始终存在［８｜］。??Ｈｏｌｄｉｎｇ?ｔｕｍａｃｅ??Ｍｅｌｔ、｜?ｊ?ｃｈａｒｎｅｌ??Ｗａｔｅｒ－Ｓｌ｜ｌ?Ｊｊ??Ｓｏｌｉｄ?ｂｉｌｌｅｔ?，?？??Ｗｉｔｈｄｒａｗａｌ??？下??图１．２?Ｊｕｎｇｈａｎｓ铸造技术不意图＊１］??－６?－??
?＼＿ｍ＾???（三）热顶铸造技术??随着研究的深入，学者们发现当铸造液位过高时，热应力较大、过渡区较宽、气??隙和拉漏的风险较大［８１］。为了降低液位高度，雷诺金属公司的ＭｏｒｉｔｚｔＭ在１９５８年提??出了利用绝热材料隔离开结晶器上部的熔体，通过调节绝热材料的插入深度来控制结??晶器的有效高度，如图１．４?（ａ）所示。在此基础上，英国铝业的ＦｕｍｅＳＳ［８８］在１９７３年??将耐火材料应用于结晶器上方的熔体盛放装置之中，并将之命名为“热顶”，如图１．４??（ｂ）所示。自此，热顶半连续铸造技术登上了铸锭制备的历史舞台并一直沿用至今。??Ｒｅｆｒａｃｔｏｒｙ?ｈｏｔ?ｔｏｐ??（ａ）?（ｂ）丨■?＞＞７、、?］??Ｒｅｆｒａｃｔｏｒｙ?ｉｒｔｓｅｒｔ?＾ＶＸａ／??ａＬｉ?ｉｉ?－＿ｃ＿ＭｅＫ?参＇?＝??图１．４不同热顶铸造技术丨８｜ｌ：?（ａ）?Ｍｏｒｉｔｚ技术；（ｂ）?Ｆｕｒｎｅｓｓ技术??（四）气滑铸造技术??１９７７年，ＭｉｔａｍｍＷ８９＾！出在结晶器壁通入由气体和润滑油组成的混合物来控制??结晶器内热量的传递。１９８５年，瓦格斯塔夫公司将其改进为“气滑”结晶器，如图??１．５所示，其原理是由气体和润滑油组成的混合物通过多孔石墨环进入结晶器内表面，??既可以起到润滑的作用，也可以改善结晶器与铸锭之间的热量传递，进而可显著提高??铸锭的表面质量。张文静等采用气滑铸造技术，制备出了组织细孝凝壳较雹表??面质量良好的２０２４铝合金铸锭。Ｙｕ等［９２］利用热阻理论建立了气滑结晶器的传热模??型，探究了石墨环与水冷结晶器壁之间的接触热阻对结晶器内传热及温度分布的影响，??提出了气滑结晶器结构设计的
【参考文献】：
期刊论文
[1]7075铝合金Ф482 mm铸锭热顶铸造工艺试验研究[J]. 赵扬,寇明珠,孙庆福,杨松渝,吕鑫,黄博. 轻合金加工技术. 2019(05)
[2]多源超声对2219铝合金铸锭凝固组织和成分偏析的影响[J]. 杨林学,张立华,李瑞卿. 材料热处理学报. 2019(03)
[3]中国二重研制的主起外筒锻件通过装机评审 将装备于C919客机[J]. 装备制造与教育. 2019(01)
[4]Numerical modeling of annular electromagnetic stirring with intercooling in direct chill casting of 7005 aluminum alloy billet[J]. Yajun Luo,Zhifeng Zhang. Progress in Natural Science:Materials International. 2019(01)
[5]超声场对不同粗糙度的辐射杆端面空蚀行为的影响[J]. 许滔,董方,李晓谦. 热加工工艺. 2019(01)
[6]大直径铝锭热顶铸造中超声施振深度的细晶机制[J]. 王莹,李晓谦,李瑞卿,田阳. 工程科学学报. 2019(01)
[7]中国商飞公司市场预测年报（摘要）（2018-2037）[J]. 大飞机. 2018(11)
[8]超声铸造对汽车A356铝合金组织和力学性能的影响[J]. 石昊昱,叶升强. 热加工工艺. 2018(19)
[9]环缝式电磁搅拌对Al-Zn-Mg-Cu合金组织的影响[J]. 关天洋,张志峰,李泽琛,李豹,王平. 特种铸造及有色合金. 2018(08)
[10]基于拓展连续模型的2024铝合金半连铸过程中的宏观偏析数值模拟（英文）[J]. 罗海军,介万奇,高志明,郑永健. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2018(05)
博士论文
[1]大规格7系铝合金铸锭均冷环缝式电磁搅拌铸造技术研究[D]. 罗亚君.北京有色金属研究总院 2018
[2]7075合金大直径铸锭均质化技术研究[D]. 王海军.北京科技大学 2015
[3]环缝式电磁搅拌理论与工艺研究[D]. 汤孟欧.北京有色金属研究总院 2012
[4]2618耐热铝合金的组织与力学性能的研究[D]. 王建华.中南大学 2003
硕士论文
[1]超声铸造对7085铝合金组织、强韧性及耐蚀性的影响[D]. 刘宇.中南大学 2014
[2]超声外场对7085铝合金铸造微观偏析及第二相形成的影响[D]. 黄明哲.中南大学 2014
[3]2A14铝合金热压缩变形流变行为研究[D]. 郭伦文.中南大学 2013
[4]7XXX铝合金热顶半连续铸造的数值模拟[D]. 胡谦谦.中南大学 2012
[5]7050铝合金圆锭超声铸造微观组织及热裂敏感性研究[D]. 张雪.中南大学 2010
[6]含微量钪、锆的Al-Cu-Mg合金组织与性能[D]. 王华.中南大学 2008
[7]超塑预处理对高强铝合金7A04和2024的性能影响研究[D]. 郑青春.中南大学 2005
本文编号：3343994
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