坩埚尺寸与形状对半固态A356合金浆料影响的数值模拟及实验研究

发布时间：2020-10-25 19:41

　　 在半固态合金浆料制备过程中,研究了坩埚尺寸与形状对半固态合金浆料质量的影响。通过改变坩埚尺寸与形状可控制有效形核率,增加熔体结构的均匀性;其次通过改变几何形状使得流动状态得到控制,促进二次流的形成,加强熔体混合和内部流动换热,增加散热的均匀性。利用坩埚结构尺寸的变化,可以在恒定的电磁频率作用下,实现熔体流动变化,有望对熔体凝固组织产生影响,而且操作更节能、更简单。获得合适的坩埚半径、坩埚形状以及电磁搅拌工艺参数为探索高效经济的控制理论与技术和工业制备高性能半固态铝合金的新工艺打下基础。本工作通过数值模拟和实验研究相结合,系统研究了电磁搅拌工艺中坩埚尺寸与形状对半固态A356铝合金液固相变规律、电磁场、流速和温度分布以及凝固组织的影响。研究了坩埚半径对A356铝合金液固相变规律和电磁场的影响。随坩埚半径的增大,端点处熔体完全液固相变所需时间越长。磁感应强度和电磁力分别从坩埚中心到坩埚径向上0.85倍和0.9倍距离左右逐渐增大。进一步研究坩埚半径和电磁频率对半固态A356铝合金最大流速和温度分布的影响。发现最大流速随坩埚半径和电磁频率的增大而增大;当电磁频率为30Hz,坩埚半径为30mm时,最大流速为148.9mm/s。随电磁频率的增大,温度分布越来越均匀。现有实验设备在制备优质半固态铝合金浆料时的坩埚半径为30mm。在较大坩埚半径的研究基础上,提出非圆坩埚的设计思路,希望坩埚中同一水平面上的合金熔体在电磁搅拌作用下具有不同的流动速度和流动状态,为此,研究了坩埚长短轴比例对A356铝合金液固相变规律和电磁场的影响。随坩埚长短轴比例的增大,短轴端点处完全液固相变所需时间变化不大,而长轴端点处完全液固相变所需时间逐渐减小。当坩埚长短轴比例为1.1到1.3时,长轴上0.9倍距离左右的最大电磁力先减小后增大,短轴上0.9倍距离左右的最大电磁力一直减小;长短轴比例为1.1时,磁感应强度平均值较小,且出现磁感应强度几乎为0的距离较适中,电磁力平均值最大。研究坩埚长短轴比例和电磁频率对半固态A356铝合金的流动规律和温度分布。坩埚长短轴比例越大,短轴上所受的最大流速呈先增大后减小的趋势,在长轴上所受的最大流速呈先增大后减小再增大的现象;频率越高,短轴和长轴上的流速差越明显,因而可使得熔体流动时出现“加速-减速-加速”的循环运动现象。当电磁频率和坩埚长短轴比例分别为30Hz和1.1时,坩埚长轴和短轴上的最大流速分别为153.6mm/s和143.2mm/s,流速差最小。当坩埚长短轴比例一定时,随电磁频率的增大,温度梯度逐渐减小,温度分布越来越均匀。现有实验设备在制备优质的半固态铝合金浆料时的较优坩埚长短轴比例为1.1。研究了坩埚长短轴比例、电磁频率以及搅拌时间对半固态A356铝合金浆料组织形貌的影响。制备最优组织形貌的半固态铝合金浆料时的工艺参数为:坩埚长短轴比例为1.1,电磁频率是30Hz,搅拌时间是12s。
【学位单位】：江西理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG146.21
【部分图文】：

球形颗粒的演化过程

形成大角度晶界。大角度晶界的界面能与液相和液固相界面张力相互作用。当大角度晶粒取向角大于 20°时，大角度晶界的界面能超过固液界面能的 2 倍。因而在此条件下，液相将润湿晶界并迅速沿晶界渗透，直至液相将枝晶臂与枝晶骨干相分离，如图1.2 所示。(a) 未变形枝晶 (b) 枝晶弯曲 (c) 枝晶形成 (d) 晶界被浸润图1.2 枝晶臂塑性弯曲诱导晶界上的液相浸润机制示意图[61](2) 控制形核和枝晶生长抑制机制尽管树枝晶破碎理论的观点存在较大不同，却一致认为非枝晶组织结构是来自于已存在过冷熔体中的枝晶。这是枝晶破碎和球化技术如机械搅拌和电磁搅拌的理论基石。Lehuy 等[27]提出，搅拌可以降低固液界面前沿的溶质浓度，溶质在较小的温度梯度下表现出非枝晶生长。此后，许多研究人员发现了熔体中非枝晶组织或球状晶体组织的直接生长现象。张景新等[62]在电磁搅拌半固态浆料制备工艺的研究中，提出了晶粒的漂移和混合抑制机制，电磁搅拌促使熔体发生混合对流。混合对流促进型壁和液面处的晶粒漂移到熔体内部，熔体的形核率增加。另外，混合对流促使换热传质过程的改变，熔体转化成一个相对均匀的温度和成分场，从而对晶粒的枝晶生长形态起到抑制作用。最终的晶粒形貌主要取决于晶粒漂移和混合抑制强度

[63-67]不同系列铝合金上的研究。电磁搅拌工作原理示意图如图1.3 所示，电磁搅拌器产生的电磁力使金属熔体流动。图1.3 电磁搅拌工作原理近年来，许多研究人员对电磁搅拌方法提出了不同角度的见解。张志峰等[68]采用旋转感应和无芯感应组合的复合电磁搅拌进行研究时，发现在电流较小时，可以得到质量较好的浆料。Zhu 等[69]在直径为 80mm 圆柱坩埚内插入空心石墨棒改造成环缝式坩埚，并对冷却速率、电磁搅拌功率和搅拌时间进行了相关研究，发现在较大的冷却速率和电磁搅拌功率下，只需 10s 的电磁搅拌时间就可获得圆整细小的半固态 A357 合金浆料组织。Itamura等[70]通过将旋转电磁搅拌和线性行波电磁搅拌组合成双轴电磁搅拌器，研究不同电磁搅拌方式对浆料组织和熔体温度的影响
【参考文献】

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1 刘政;陈志平;陈涛;;坩埚尺寸和电磁频率对半固态A356铝合金浆料流动的影响[J];金属学报;2018年03期

2 刘政;陈涛;陈志平;;双向电磁搅拌对半固态A356铝合金凝固组织的影响[J];中国有色金属学报;2018年01期

3 孙梦桐;刘政;陈志平;陈涛;;多元稀土对半固态A356铝合金梯度细化的研究[J];铸造;2017年12期

4 陈志平;刘政;陈涛;;电磁搅拌半固态铝合金磁感应强度的优化[J];铸造;2017年12期

5 陈志平;刘政;陈涛;;坩埚半径对电磁搅拌制备半固态A356浆料电磁场分布的影响[J];特种铸造及有色合金;2017年09期

6 陈涛;刘政;孙梦桐;陈志平;;电磁搅拌方式对A356铝合金凝固组织形貌分形维数的影响[J];材料与冶金学报;2017年03期

7 陈志平;刘政;陈涛;;电磁搅拌和数值模拟在半固态铝合金浆料制备中应用的研究现状[J];铸造;2017年07期

8 陈涛;刘政;陈志平;张嘉艺;;电磁搅拌方式和稀土对半固态A356合金凝固组织的影响[J];有色金属科学与工程;2017年05期

9 Jun-wen Zhao;An Guo;Hu Li;Xu Zhang;Jing Han;Shu-sen Wu;;Semisolid slurry of 7A04 aluminum alloy prepared by electromagnetic stirring and Sc, Zr additions[J];China Foundry;2017年03期

10 陈涛;刘政;刘小梅;陈志平;;双向间歇电磁搅拌对半固态A356-Ce合金凝固组织的影响[J];稀有金属;2018年01期

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2 张嘉艺;半固态铝合金—稀土初生α相在混沌对流中的凝固形貌演化规律[D];江西理工大学;2016年

3 王梦瑶;Al-Si合金的激光选区熔化成形特性及性能的研究[D];华中科技大学;2015年

本文编号：2855875