喷射沉积连续挤压制备Al-Zn-Mg-Cu合金及其组织与性能研究

发布时间：2018-01-09 02:13

本文关键词：喷射沉积连续挤压制备Al-Zn-Mg-Cu合金及其组织与性能研究　出处：《昆明理工大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：Al-Zn-Mg-Cu合金强化相种类多,比强度高,是重要的工程结构材料。传统的原材料制备方法为铸锭冶金制坯。由于该方法冷却速度慢,结晶温度范围宽,常出现元素偏析、低熔点共晶相粗大和缩松缩孔等缺陷,导致坯锭热加工困难,易出现开裂和力学性能差等问题。喷射沉积连续挤压(spray Conform,SC)技术将喷射成形技术和连续挤压技术结合,一步实现从液态金属到产品的近净成形制备。本文在SC技术的研究基础上,利用其制备Al-Zn-Mg-Cu合金,取得了较好的结果。在喷射成形阶段,熔滴快速凝固抑制了元素的偏析,消除了粗大低熔点共晶相的析出,提高了组织与成分的均匀性。在连续挤压阶段,大塑性变形消除了沉积坯中的孔隙,并进一步细化组织,为良好的性能奠定基础。本文的主要研究内容有雾化流场的变化规律、雾化器结构优化设计、产品制备及制品的组织与性能。研究主要结论有:(1)采用FLUENT数值模拟软件对雾化阶段的流场进行模拟,包括压力场、速度场和温度场,为试验提供指导。讨论了不同雾化压力下流场的变化规律,以及流型控制器对雾化过程的影响。压力场、速度场和温度场与雾化气压成正的对应关系。当雾化气压较小时,流场易受流型控制器干扰,不利于熔滴的沉积;当雾化气压较大时,导流管出口温度较低,驻点速度、气流交汇中心速度和反向气流速度峰值均较大,双盘之间的涡流程度较剧烈,不利于熔体的流出和熔滴的收集。(2)根据数值模拟结果设计并验证了 4种不同结构的雾化器喷嘴,为SC技术的优化奠定基础。其中,本文设计的IV型喷嘴试验效果较好,既具有较好的雾化能力,又能使雾化熔滴具有较高的收得率。利用IV型喷嘴成功制备出外观质量良好的Al-Zn-Mg-Cu合金杆,合金制品的流出速度高达6～8m/min。制备过程中晶粒发生动态再结晶,晶粒尺寸大小约2μm;第二相细小均匀,大小为20～200nm。(3)计算并讨论了气体/熔体质量流率(Gas to Metal Mass Flow Ratio,GMR)对SC制备过程的影响,得出GMR需控制在0.33～0.43之间。当GMR值小于0.33时,雾化不充分,雾化后的熔滴液相含量较高,沉积后形成的沉积坯因液相含量较多而在挤压过程中无法提供足够大的挤压力;当GMR值大于0.43时,雾化过充分,雾化后的熔滴固相含量高,熔滴沉积后形成的沉积坯因固相含量高而与沉积基底结合不牢,导致坯料在轮槽内"打滑"。(4)讨论了 GMR对SC制备的Al-Zn-Mg-Cu合金的沉积坯组织、挤压态组织、回归再时效(Retrogression and Re-Aging,RRA)态组织与力学性能、RRA态抗应力腐蚀性能和元素偏析的影响。沉积坯的致密度和晶粒尺寸与GMR成反的对应关系;挤压态合金的致密度和晶粒尺寸与GMR成反的对应关系;RRA态合金的晶粒尺寸与GMR成反的对应关系,抗拉强度、塑性和电导率均随GMR的增大而先增大后减小。当GMR为0.4时,综合性能良好,抗拉强度为541MPa,延伸率为19%,电导率为24.88MSm-1。沉积态、挤压态和RRA态的样品元素分布均匀,无宏观偏析现象。(5)讨论了挤压比对Al-Zn-Mg-Cu合金的组织和力学性能的影响。挤压态、RRA态和T6态合金晶粒大小与挤压比均成反的对应关系。RRA态和T6态合金的抗拉强度与挤压比成正的对应关系,塑性呈先增大后减小的趋势。当挤压比为30时,T6态合金抗拉强度为670MPa,延伸率为7.5%。综上所述,利用SC技术制备的Al-Zn-Mg-Cu合金具有良好的组织,经热处理后具有优异的力学性能。此外,SC是一种具有工程化潜力的技术,它兼具喷射成形快速凝固的优点和连续挤压大塑性变形的优点,对于高合金难成形材料的制备,具有独特的优势。
[Abstract]:The main conclusions are as follows : ( 1 ) By using FLUENT numerical simulation software to simulate the flow field at the atomization stage , it is easy to avoid the segregation of the elements and to improve the uniformity of microstructure and composition . The main conclusions are as follows : ( 1 ) The flow field is easy to be disturbed by the flow type controller and the velocity of the velocity and the velocity of the reverse airflow are large , and the eddy current level between the two discs is more severe , which is not beneficial to the outflow of the melt and the collection of the molten drops . The effect of gas / melt mass flow ratio ( GMR ) on the preparation process of SC was calculated and discussed . ( 4 ) The effect of GMR on microstructure and mechanical properties of Al - Zn - Mg - Cu alloy prepared by SC was discussed .

【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG146.21;TG379

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