7075合金大直径铸锭均质化技术研究

发布时间：2018-12-11 16:19

【摘要】：大型铸锻件产品是电力、冶金、交通、石化、基础机械和国防等工业的基础部件,大型铸锻件行业是发展国民经济的必需行业和关键行业。铝合金大型铸锻件在力学性能、轻量化、可回收等方面具有很大优势,有广阔的应用前景和极大的研究价值,其中Al-Zn-Mg-Cu合金属于可热处理强化的超高强变形铝合金,广泛应用于航空、航天、汽车、运输、建筑等领域,在国内大型铸锻件行业“十二五”规划重点内容中就包含了对该系铝合金的研究。然而,该系合金由于合金化程度高、固液相线温差较大,铸锭易开裂、易偏析,大大降低了合金的成材率和力学性能。 本论文选用Al-Zn-Mg-Cu合金中广泛应用且综合性能优异的7075铝合金作为研究对象,针对合金大铸锭制备过程中存在开裂和偏析等问题,提出了解决方案,即开发了一种先进的耦合搅拌技术,该技术同时运用了电磁搅拌和螺旋芯棒机械搅拌作用,并用该技术制备了直径为Φ300mm的7075铝合金铸锭。文中利用数值模拟研究了耦合搅拌技术对半连铸过程的影响,全面系统的研究和对比了普通半连铸和耦合搅拌铸造制备的铸锭铸态的组织特征和成分偏析、均匀化热处理过程组织演变、热变形行为、固溶时效后组织性能等,研究结果表明： (1)7075铝合金采用传统半连续铸造制备大铸锭过程中熔体径向温差较大,导流管内熔体温度波动范围在30～50℃,温度分布很不均匀,铸锭易开裂,存在严重的反偏析现象,铸锭边部、1/2R处和心部的晶粒大小分别为132.2μm、638.3μm和770.5μm,晶粒都为粗大且大小不均匀的树枝晶。化学细化后铸锭平均晶粒尺寸为160μm,晶粒圆整度得到提高,但是还存在大量粗大的树枝晶,径向晶粒大小偏差高达33%。铸造工艺优化后铸锭开裂率减小,成材率提高,然而所制备铸锭平均晶粒大小变化不大,径向晶粒大小偏差为30%,铸锭还是存在很严重的不均匀和开裂现象。表明7075铝合金铸锭易开裂、组织不均匀、成分偏析,化学法和工艺法难以明显改善。 (2)提出了一种电磁和机械耦合搅拌技术,其中机械搅拌采用了螺旋式芯棒搅拌。利用Maxwell软件进行了电磁场模拟,表明沿铸锭表面向心部电磁感应强度和电磁力逐渐减小。利用Fluent软件进行半连续铸造过程模拟,表明耦合搅拌技术减小了径向温度差异,提高了温度分布均匀性,明显改变了液穴的形状,使得液穴变得更加平缓,液穴深度减小了24.5%,并且显著改变了熔体的流动特征,在液穴内耦合搅拌迫使熔体沿径向、周向和纵向强对流,并且在结晶前沿产生了强烈流动。耦合搅拌产生的剪切力是单独电磁搅拌和单独机械搅拌剪切力之和,达到了强剪切效果,实现了强制均匀凝固。 (3)普通半连铸过程温度波动范围为20～50℃,而耦合搅拌铸造过程温度波动范围可控制在1℃以内,显著地改善了温度波动现象。耦合搅拌后液穴形貌变得更加浅平,液穴深度由128mm减小到88mm,减小了31%。耦合搅拌所制备的铸锭开裂率明显减小,拓宽了制备7075铝合金0300mm铸锭的工艺窗口。 (4)耦合搅拌处理后铸锭平均晶粒大小减小了13%,铸锭径向晶粒大小偏差由30%减小到9%,晶粒形状也由树枝晶变为球状晶和蔷薇状晶,经过耦合搅拌处理后铸锭中Zn、Mg及Cu平均偏析率分别为5.67%、4.52%和5.9%,明显减小了反偏析现象,改善了元素分布均匀性。提出一种为470℃×12h+480℃×8h的新型双级均匀化制度,利用该制度进行均匀化处理,表明耦合搅拌使得第二相更容易溶解到基体中,提高了均匀化效果和固溶度。 (5)耦合搅拌前后铸锭平均流变应力分别为33MPa和29.6MPa,径向流变应力偏差由14%减小到5%,使得铸锭流变应力减小且更均匀。利用温度修正和摩擦修正后的流变应力构建了本构方程,且计算变形激活能表明耦合搅拌后激活能由233KJ/mol减小到151KJ/mol。根据热加工图,耦合搅拌后可加工区扩大,失稳区缩小,适合热加工的工艺窗口增大,材料热加工性能得以改善,提高了材料热加工性能的稳定性。耦合搅拌提高了固溶时效处理后合金的强度,其中抗拉强度提高了29MPa,而屈服强度提高了41MPa,但塑性改变不大。耦合搅拌也使得挤压棒材纵截面再结晶晶粒大小更加均匀,也增加了时效析出相数量,使的晶界析出相变得细小且不连续,但对晶间无析出带影响不大。
[Abstract]:Large-scale casting and forging products are the basic components of electric power, metallurgy, transportation, petrochemical, basic machinery and national defense, and large-scale casting and forging industry is a necessary industry and key industry for the development of national economy. The aluminum alloy large-scale cast forging has a great advantage in the aspects of mechanical property, light weight and recovery, and has wide application prospect and great research value, wherein the Al-Zn-Mg-Cu alloy belongs to an ultra-high-strength and high-deformation aluminum alloy capable of being heat-treated and strengthened, and is widely applied to aviation, aerospace, automobile, transportation, In the field of building and other fields, the research on the aluminum alloy is included in the key content of the 鈥，

本文编号：2372852