双向电磁搅拌下半固态A356-RE合金浆料的制备

发布时间：2020-04-29 05:55

【摘要】：凝固组织形貌和尺寸的有效控制是制备合金浆料的关键环节,也是半固态加工领域不断追求的目标,同时又是材料科学研究和工程应用中的核心内容。因此,有效控制材料的凝固进程从而获得高品质浆料对于半固态加工具有重要的意义。半固态加工作为新兴材料加工技术具有显著的特点:近净成形、高效节能和清洁环保,被誉为21世纪“绿色”材料加工技术。本文立足于高性能半固态铝合金浆料制备这一基本点,利用半固态加工技术(SSM)和磁流体力学(MHD)结合形成的材料电磁加工技术及稀土元素复合作用于铝合金的凝固过程。研究电磁场和稀土元素复合作用下铝合金凝固组织演化和性能优化规律,主要研究内容与结果简要概括如下:1、利用双向电磁搅拌并结合稀土元素作用于A356铝合金的凝固过程,研究磁场频率(10、20、30、40Hz)、电磁搅拌方式以及稀土(0%RE、0.5%Ce和0.3%La+0.2%Yb)对初生相α-Al晶粒尺寸、形貌及分形维数的影响。结果表明:30Hz是获取尺寸细小、形貌圆整的初生相较为合适的电磁频率,且在30Hz双向连续搅拌及混合稀土复合作用下初生相的尺寸细小、形貌圆整。其平均等积圆直径为36.4μm,形状因子为0.82,分形维数为1.3133。2、研究和分析双向连续电磁搅拌下磁场频率(5、15、25、35Hz)对合金铸锭径向不同位置(0R、0.7R、1R)凝固组织及稀土元素La沿径向分布规律的影响。结果表明:频率增加,初生相的尺寸逐渐细化和球化;稀土元素形态由针状向点状演化。在25Hz、0.7R处初生相的尺寸最细小圆整,其平均等积圆直径达到36.2μm形状因子为0.83;稀土元素La呈细点状弥散分布。3、采用双向间歇电磁搅拌技术制备半固态A356-Ce合金浆料。研究磁场频率(10、20、30、40Hz)、间歇时间(0、1、3、5s)对凝固组织和力学性能的影响。结果表明:30Hz、间歇时间3s条件下初生相细化球化程度较大。其平均等积初圆直径为35.2μm形状因子为0.81。另外,利用SEM研究30Hz单向连续搅拌、30Hz双向间歇3s搅拌以及常规铸造时合金的拉伸性能与断口形貌特征。发现30Hz双向间歇3s搅拌下合金的抗拉强度和塑性显著增强,断裂方式由脆性断裂过渡为脆性断裂和韧性断裂的混合方式。4、结合双向电磁搅拌和等温保温技术,提出了一种复合浆料制备新工艺:双向连续电磁搅拌+等温热处理。分析了新工艺制备浆料时,30Hz双向连续电磁搅拌后等温温度580~610℃、等温时间3~15min对凝固组织的影响。结果表明,随着温度升高、时间延长,初生相逐渐细化球化,在600℃、7min热处理条件下初生相的尺寸细化和球化程度最佳,其平均等积圆直径为29.4μm,形状因子为0.86。本文的创新之处:探讨了双向电磁搅拌与稀土元素复合作用下铝合金凝固组织演化规律,分析了不同搅拌方式下金属液的流动规律以及稀土元素在合金中的存在形式和分布规律;另外,基于分形理论对不规则图形或对象独特的表征能力,采用分形维数对初生相α-Al的晶粒尺寸细化和形貌圆整程度进行定量表征,为联系组织与性能这两个表征材料性质的指标构建了间接“桥梁”。
【图文】：

示意图,半固态触变成形,流程,示意图

金属熔体处于半固态温度区间，随后利用加工设备将固液两相共存的金属液的过程定义为半固态加工。该技术起源于 1971 年 D.B.Spencer 博士在测Pb 合金高温粘度时[8]，发现在合金凝固过程中对其进行机械搅拌，熔体内部生了破碎和分离“母体”现象。从而制备了具有流变特性的金属浆料。据半固态加工过程中是否含有二次加热可将其分为两个基本类别[9]：流变成形。流变成形的原理是将具有球状非枝晶固相颗粒的金属浆料直接通过成形所需尺寸、形状和精度要求的铸件的工艺过程。流变成形工艺具有独特的优低能耗、无需二次加热；此外成形压力小且可实现连续制备，，浆料的制备和度一体化。但浆料转运过程中熔体的温度不易控制，降温快，导致浆料流动利于高质量浆料的制备。因此，主要用于实验室研究，还未实现大批量工业。触变成形是将预成形坯料分割成多个小金属块，并再次将其升温至液相线随后利用成形设备制备成形的过程，其工艺过程图见图 1.1 所示。触变成形缺陷在于：工艺流程和成形周期长，性价比低以及能耗问题突出，但是其成的范围较流变成形更广，适用于各种变形铝合金以及金属基复合材料。

示意图,电磁搅拌,示意图

术的发展以及新材料的制备和开发都具有显著影响。高品质有一定数量晶粒尺寸细小、分布均匀和圆整度高的球状晶粒细晶浆料制备方法，主要以物理场控制法（电场、电磁场和法为主。制法[17]：是指当合金熔体处于半固态温度区间时引入物理场作用，来提升合金的性能。当前该制备方法探究内容主要是以：合金凝固时施加直流、交流电和脉冲电流进行处理，利用电树枝晶，从而得到非枝晶浆料。(2)电磁场处理：悬浮金属液感应电流与磁场间交互作用形成电磁体积力，并对金属液产化晶粒，其中图 1.2 所示为电磁搅拌法。(3)超声波振动处理，促使熔体内部形成较强的声流效应和空化效应[18]。从而有了组织均匀性，超声波振动处理法的图示见图 1.3。参数法[19]：是指通过精确地调控合金凝固时的凝固工艺参数（温温度和等温时间等），从而有效的调节初生相的形核和长非枝晶组织。
【学位授予单位】：江西理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG292

【参考文献】