319s铝合金高固相分数半固态压铸多尺度数值模拟方法与实验研究

发布时间：2017-12-12 08:24

  本文关键词：319s铝合金高固相分数半固态压铸多尺度数值模拟方法与实验研究

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【摘要】：日益提升的汽车轻量化需求为铝合金汽车零部件提供广阔应用前景的同时也为高性能铝合金零部件制备方法提出了新的挑战。铝合金半固态压铸技术经过长期的基础理论研究和应用推广,已逐步在国内外的汽车工业中获得应用。其中高固相分数(0.4-0.7)铝合金半固态压铸技术可制备性能与锻造件相近而工艺成本与传统液态铸造相当的零部件。然而半固态压铸成形目前仍存在部分技术难题使其难以获得大规模工业化应用,主要包括：半固态浆料流动行为对工艺参数高度敏感致使实际工艺窗口过窄：对零件形状及尺寸有较高要求以便于实现对浆料流动的控制；半固态压铸模具设计标准欠缺等等。上述问题的关键同时也是半固态压铸技术的研究难点,即是对半固态浆料流动状态的预判及控制。本论文旨在研究高固相分数半固态浆料宏观流变性能和内部微观流动机制,并在此基础上分别建立可描述半固态浆料宏观流变性能(剪切稀化特性、非稳态流变性及触变性)的表观黏度模型和多相流动耦合计算方法,综合形成高固相分数半固态浆料多尺度数值模拟方法以分别实现对浆料宏观及微观流动行为的表达。本文选用典型的半固态铸造合金319s铝合金作为研究对象,首先考察了二次加热方法制备的高固相分数半固态浆料的组织特征,重点分析了升温速率及保温时间对微观组织演化的影响;采用半固态恒温高速压缩实验测试了319s高固相分数半固态坯料的流变性能,分析了坯料在剪切作用下的内部流动机制：基于319s流变性能数据,建立了可适用于剪切速率变化(升高或降低)的依时性幂律表观黏度模型；借鉴单相流体处理方法,文中建立了适用于半固态金属浆料的雷诺数计算方法,分析了压铸成形工艺对浆料的内部流动稳定性的影响；采用多相流体耦合计算方法模拟了半固态浆料多相混合流动行为,考察了成形工艺对固相颗粒宏观偏析的影响规律。本文主要研究结论如下：(1)提高升温速率可减少低熔点相固溶,液相出现越早,有利于抑制固相颗粒和共晶硅通过合并的方式粗化：升温速率越快,合金熔化越迅速,获得相同液相分数的温度越低,合金实际二次加热工艺窗口越大。适当的增加保温时间有利于提高液相分数和加速颗粒球化,当保温时间继续增加,坯料液相分数和颗粒形状因子均将趋于稳定,而颗粒尺寸则将通过体扩散的方式持续增大,长大速率K=227μm3/s,因此需避免长时间保温。(2)高固相分数半固态坯料压缩过程以固相颗粒滑移为主,液相则由颗粒问高静压区向低静压区流动。压缩过程可分为四个阶段进行,即弹性变形阶段、颗粒部分解聚阶段、颗颗粒剧烈滑移阶段和颗粒聚合及分离协同作用阶段。(3)基于不同压缩速率半固态压缩实验获得的表观黏度建立了依时性幂律黏度模型,针对剪切速率增加的剪切条件,文中提出采用剪切应变来评价整体剪切效果,通过对比选择剪切应变相近的幂律模型。针对剪切速率降低的情况,可通过设置剪切速率阈值的方法考虑浆料的依时性。(4)建立了适用于金属半固态浆料的雷诺数计算方法,计算结果和实验研究共同表明在一定的温度(固相分数)范围内,半固态浆料内部流动稳定性随着固相分数的减小依次呈现先增加后降低的趋势。(5)首次采用多相流体耦合计算方法模拟了半固态浆料多相混合流动行为,结果表明充型速度越大,固相偏析程度越低,而对固相偏析层的厚度及径向位置未有明显影响。初始固相分数和颗粒尺寸对固相偏析程度无显著影响,然而增大初始固相分数和颗粒尺寸将使壁面附近的液相富集层厚度越大,固相偏析层位置向通道中心偏移。
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG249.2

【参考文献】

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本文编号：1281825