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

发布时间：2017-08-08 03:24

  本文关键词：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

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【摘要】：半固态技术发展至今虽然仅有短短几十年的历史,但它拥有广阔的应用前景与独道的技术优势使之在国内外得到飞速的发展。半固态成形的关键技术之一就是半固态合金熔体制备技术,所以熔体流动状态对合金元素的传输、晶粒的长大、温度场的分布、最终的合金组织形貌,以至于能否获得合格的半固态浆料影响极大。本文将混沌理论与半固态技术相结合,主要研究了熔体混沌特性对半固体合金凝固组织形貌的影响。本研究将实验与模拟相结合,采用Fluent软件中的MHD模块和标准k-ε模型,在电磁场作用下,模拟结晶器内部熔体的温度场及熔体微粒质点的运动轨迹,得知在电磁搅拌参数为30Hz、15s时,熔体温度场分布最均匀,其微粒运动轨迹最复杂。通过Lyapunov指数、分形维数和Kolmogorov熵三个混沌特征量的计算与判断,得知电磁搅拌时间和搅拌频率是影响凝固系统混沌程度的两个重要因素。在施加适当的电磁搅拌下,其熔体内部能诱发混沌对流。计算得出了分形维数和Kolmogorov熵值随着搅拌频率的增加而增大,也随着其搅拌时间的延长而增加,所以混沌并非是混乱的现象,其内部依然具有可控因素。同时,在电磁搅拌参数为30Hz、15s时,熔体内部的混沌程度最大,其分形维数为2.240,Kolmogorov熵值为6722.4nat/s。结合实验,选择A356铝合金为基体原料,通过低频率电磁搅拌诱发的混沌对流,探究在其作用下不同电磁搅拌频率、时间及不同稀土元素La和Yb对半固态A356铝合金初生a相的影响。得出了在低过热度浇注下,在电磁搅拌参数为30Hz、15s时合金凝固组织形貌达到最佳。此时,半固态A356-Yb合金初生相平均等积圆直径为60.28μm,平均形状因子为0.78；而半固态A356-La合金初生相平均等积圆直径为65.36μm,平均形状因子为0.75,可见稀土Yb比稀土La影响混沌对流所表征出的初生相更为细小圆整。再利用30Hz、15s的搅拌参数,添加不同比例的二元稀土元素La和Yb,探究了稀土元素在电磁场诱发的混沌对流下对凝固组织形貌的规律及影响因素。得出了当稀土添加量为0.8%La+0.5%Yb时,合金组织形貌达到最优,其初生αα相的平均等积圆直径为62.47μtm,平均形状因子为0.72。通过实验研究,获得了制备半固态A356铝合金浆料合适的工艺参数。本文的创新之处：借助混沌理论,详细的探讨了电磁场作用下混沌对流在半固态铝合金熔体中初生α相形貌的演变行为和理论,以及在电磁场作用下稀土扩散和分布规律的表征方法,同时在该理论和方法的指导下,为探索工业制各高性能半固态铝合金的新工艺及其高效经济的控制理论与技术打下基础。
【关键词】：A356铝合金 混沌对流 电磁搅拌 稀土元素 初生α相
【学位授予单位】：江西理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG292
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第一章 绪论8-21
• 1.1 半固态加工成形技术概述8-10
• 1.1.1 半固态加工技术简介8
• 1.1.2 半固态成形技术的优点8-9
• 1.1.3 半固态合金熔体制备技术简介9
• 1.1.4 半固态流变成形技术简介及进展9-10
• 1.1.5 半固态加工技术的现状10
• 1.2 半固态浆料制备技术概述10-15
• 1.2.1 半固态浆料制备技术简介10-11
• 1.2.2 半固态浆料制备方法11-13
• 1.2.3 电磁搅拌技术对半固态浆料的应用13-15
• 1.3 半固态合金微观组织形貌的参数描述15-16
• 1.4 混沌理论的概述16-20
• 1.4.1 混沌理论的简介及发展16
• 1.4.2 熔体流动对合金凝固的影响16-19
• 1.4.3 计算机模拟表征混沌现象的应用19-20
• 1.5 课题研究目的和主要内容20-21
• 第二章 模拟研究路线和计算方法21-34
• 2.1 引言21-22
• 2.2 流体力学软件Fluent的模拟分析22-23
• 2.2.1 几何建模和网格划分22-23
• 2.2.2 模型计算及参数设置23
• 2.3 不同电磁搅拌频率下熔体温度场分布及微粒轨迹模拟23-26
• 2.4 基于Matlab对混沌特征量的判断、计算及分析26-31
• 2.4.1 Lyapunov指数的计算26-28
• 2.4.2 分形维数的计算28-30
• 2.4.3 Kolmogorov熵的计算30-31
• 2.5 讨论31-33
• 2.6 本章小结33-34
• 第三章 实验方案、材料及设备34-40
• 3.1 实验材料34-36
• 3.1.1 合金的选择34-35
• 3.1.2 稀土细化剂的选择35
• 3.1.3 实验设备的选择35-36
• 3.2 实验方案设计36-38
• 3.2.1 电磁场作用下诱发混沌对流对合金微观组织的影响36-37
• 3.2.2 混沌对流下二元稀土元素对合金微观组织的影响37-38
• 3.3 试样分析与处理38-40
• 3.3.1 差热分析38
• 3.3.2 金相试样的制取与观察38
• 3.3.3 XRD物相分析38
• 3.3.4 扫描电镜及能谱对显微组织的观察及分析38-40
• 第四章 电磁场诱发混沌对流对合金微观组织的影响40-51
• 4.1 引言40
• 4.2 稀土的选择40-41
• 4.3 混沌对流下不同稀土元素对半固态A356合金微观组织的影响41-47
• 4.3.1 混沌对流下La对半固态A356合金微观组织的影响41-43
• 4.3.2 混沌对流下稀土Yb对半固态A356合金微观组织的影响43-44
• 4.3.3 实验结果和分析44-47
• 4.4 讨论47-49
• 4.4.1 温度场对合金微观组织的影响47-48
• 4.4.2 不同混沌程度对合金微观组织的影响48-49
• 4.5 本章小结49-51
• 第五章 混沌对流下二元稀土对合金微观组织的影响51-58
• 5.1 引言51
• 5.2 实验工艺及过程51-52
• 5.3 实验结果与分析52-55
• 5.3.1 电磁搅拌下不同稀土添加量对合金初生 α 相的影响52-54
• 5.3.2 电磁搅拌下不同稀土添加量对合金共晶组织的影响54-55
• 5.4 讨论55-57
• 5.5 本章小结57-58
• 第六章 结论与展望58-60
• 参考文献60-67
• 致谢67-68
• 攻读学位期间的研究成果68-69

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本文编号：638052