超声外场辅助铸造抑制7050合金宏微观偏析的实验研究

发布时间：2016-07-10 09:03

  本文关键词：超声外场辅助铸造抑制7050合金宏微观偏析的实验研究，由笔耕文化传播整理发布。

《中南大学》 2011年

超声外场辅助铸造抑制7050合金宏微观偏析的实验研究

黎正华  

【摘要】：在7050铝合金的半连续铸造过程中,铝熔体在凝固过程中由于溶质分配系数的差异,导致铸锭内外或上下各部位之间在化学成分上产生不均匀现象,即宏观偏析。宏观偏析的出现不仅对铸锭的性能有不良的影响,而且增加了铸锭产生热裂的倾向,同时对后续热处理工艺和制品的最终性能有不同程度的影响。本文在7050铝合金半连续铸造过程中引入超声外场,旨在通过控制液相的流动来达到抑制宏观偏析的目的,主要研究内容包括以下几方面： 1、通过进行7050铝合金的半连续铸造实验,描述了7050铝合金铸锭中的宏观偏析现象及微观组织形貌,通过SPECTRO-MAXx立式直读光谱仪和Leica金相显微镜对不同超声功率段的铸锭进行径向测量和观察,实验结果表明：熔体超声处理后的铸锭组织变得细小,混晶减少,溶质元素Zn、Mg、Cu在铸锭径向均呈明显的逆偏析现象,熔体超声处理后的铸锭逆偏析得到弱化,在实验仪器所提供的超声功率内,功率越大,偏析弱化效果越明显,在240W超声功率作用下,Zn、Mg、Cu的偏析比由未加超声时的1.243、1.158和1.19降低为1.086、1.098和1.11。 2、针对7050铝合金半连续铸造实验过程中产生的逆偏析行为,对其形成机制及物理模型进行阐述,研究7050铝合金的半连续铸造过程中,采用超声波进行晶粒细化并控制液穴深度,实现对凝固组织和成分偏析控制的技术和相关原理,由铸锭收缩导致溶质在枝晶间的横向流动减弱；两相区液固相相对运动减弱；悬浮晶粒的长大被抑制是超声弱化宏观偏析的主要原因。 3、比较铝合金普通半连铸技术和超声半连续铸造技术所得的铸锭试样,研究超声外场对显微组织、合金元素晶内固溶度的影响,并分析其作用机理。实验结果表明：超声明显细化了晶粒,显著提高了合金元素在晶内的固溶度,减小了微观偏析程度,相对于未加超声制备的铸锭,溶质元素Zn、Mg和Cu的晶内相对固溶度分别由63.5%、50%和38.4%提高为85.7%、87.6%和61.7%,强化了合金元素在晶内的固溶,使材料的机械性能得到显著提高。 4、基于元胞自动机法耦合有限差分法原理,对坩埚实验中7050铝合金熔体经超声外场处理后的凝固组织进行微观模拟,具体研究不同施振功率和冷却方式对7050铝合金微观组织的作用规律,在实验验证的基础上,对超声细化晶粒的机制进行了说明。模拟和实验结果表明：熔体超声处理后的铸锭,凝固组织得到明显细化,组织形貌也由枝状晶变成为细小等轴晶,超声的空化效应和声流效应使得形核率增加是晶粒细化的主要原因；在实验功率范围内,超声功率为240W时细化效果最佳,此时晶粒的平均尺寸为72um；超声细晶过程需要一个必要时间,冷却强度低时,超声有效作用时间延长,晶粒的均匀化和细化程度增加,超声作用功率为200W时,改变冷却方式,随炉冷却方式所得晶粒最小,平均尺寸为82 um。

【关键词】：
【学位授予单位】：中南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TG292
【目录】：

摘要3-5

ABSTRACT5-9

第一章 绪论9-16

1.1 引言9-10

1.2 超声半连续铸造技术的发展及研究现状10-13

1.2.1 铝合金半连续铸造工艺的发展过程10-11

1.2.2 超声铸造技术的发展过程11

1.2.3 超声对金属熔体的作用效果研究现状11-13

1.3 课题来源、研究意义及论文内容13-16

1.3.1 课题背景与来源13-14

1.3.2 研究内容与意义14-16

第二章 铝合金半连续铸造过程中的宏观偏析行为及参数16-28

2.1 引言16

2.2 液相流动在金属凝固中的作用16-17

2.2.1 液相流动的分类16

2.2.2 液相流动对金属凝固组织的影响16-17

2.2.3 液相流动对宏观偏析的影响17

2.3 铝合金半连续过程中的宏观偏析17-20

2.3.1 合金的溶质分配系数17-18

2.3.2 宏观偏析的模型18-19

2.3.3 宏观偏析的类型19-20

2.4 半连铸的凝固参数20-24

2.4.1 液穴及测量方法20-22

2.4.2 流场参数及测量方法22-23

2.4.3 微观组织及仿真23-24

2.5 超声弱化偏析作用机理研究24-27

2.5.1 超声外场对熔点温度的影响24-25

2.5.3 超声外场做功对溶质有效分配系数的影响25-27

2.6 本章小结27-28

第三章 7050铝合金超声半连续铸造实验28-37

3.1 引言28

3.2 超声半连续铸造实验28-30

3.2.1 实验设备28-29

3.2.2 实验材料29

3.2.3 实验方案29-30

3.3 实验结果30-33

3.4 实验结果分析33-35

3.4.1 超声对两相区流场的影响33-34

3.4.2 铸锭收缩导致的流动34-35

3.4.3 超声对悬浮晶粒的影响35

3.5 本章小结35-37

第四章 超声铸造对微观偏析行为作用的实验研究37-44

4.1 引言37

4.2 实验37

4.3 结果分析与讨论37-41

4.4 超声强化晶内固溶的机制研究41-42

4.5 本章小结42-44

第五章 7050合金超声波铸造微观组织模拟44-53

5.1 引言44

5.2 微观组织的模拟方法44-46

5.2.1 决定论方法45

5.2.2 随机论方法45-46

5.2.2.1 蒙特卡罗法45

5.2.2.2 元胞自动机法45-46

5.3 超声坩埚实验46-47

5.3.1 实验设备46

5.3.2 实验材料46-47

5.3.3 实验方案47

5.4 微观组织仿真的理论基础47-49

5.4.1 有限元模型47-48

5.4.2 形核模型48-49

5.5 模拟结果与实验验证49-52

5.6 本章小结52-53

第六章 全文总结及展望53-55

6.1 主要研究工作及结论53-54

6.2 研究中存在的问题及展望54-55

参考文献55-61

致谢61-62

攻读硕士学位期间的主要研究成果62

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