【摘要】：高固相分?jǐn)?shù)半固態(tài)壓鑄在充型過(guò)程中漿料流動(dòng)平穩(wěn),能有效減少卷氣等壓鑄缺陷,適合制備對(duì)組織性能要求高的結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品。本文以一種Al-Cu-Mg-Ag合金——A201高強(qiáng)鋁合金為實(shí)驗(yàn)材料,研究了二次加熱過(guò)程中A201鋁合金半固態(tài)組織的演變規(guī)律,采用旋轉(zhuǎn)熱焓平衡法設(shè)備(Swirl Enthalpy Equilibration Device,SEED),研究了工藝參數(shù)對(duì)A201鋁合金高固相分?jǐn)?shù)流變漿料組織形貌的影響規(guī)律,分析了漿料制備過(guò)程中的溫度場(chǎng)變化及漿料冷卻行為,探討了SEED工藝下球晶組織的形核長(zhǎng)大機(jī)理,設(shè)計(jì)了半固態(tài)壓鑄熱裂評(píng)價(jià)模具,研究了 A201鋁合金不同半固態(tài)壓鑄工藝下的熱裂傾向,最后半固態(tài)壓鑄成形了高端復(fù)雜零部件壓葉輪。本論文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:DSC分析表明,在A201鋁合金高固相分?jǐn)?shù)半固態(tài)漿料制備過(guò)程中,可以適當(dāng)?shù)耐ㄟ^(guò)降低升溫或者冷卻速率來(lái)獲得更大的工藝窗口。在二次加熱過(guò)程中,隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng),A201鋁合金坯料固相顆粒形狀因子變化不明顯,但顆粒持續(xù)以體擴(kuò)散控制的方式長(zhǎng)大,根據(jù)LSW模型算得晶粒粗化速率為940μm3/s。應(yīng)用SEED工藝制備了 A201鋁合金高固相分?jǐn)?shù)流變漿料。結(jié)果表明:在SEED工藝中可以通過(guò)適當(dāng)降低澆注溫度,減少旋轉(zhuǎn)冷卻時(shí)間的方式獲得晶粒細(xì)小圓整、分布均勻的半固態(tài)漿料。在澆注溫度為660℃,冷卻時(shí)間為65s參數(shù)下,能夠制備出心部和中部初生α-Al晶粒尺寸為68μm,整體較為均勻的A201鋁合金高固相分?jǐn)?shù)半固態(tài)坯料。系統(tǒng)研究了SEED制漿過(guò)程中的熔體冷卻行為。制漿過(guò)程可以分為兩個(gè)階段:激冷階段和平緩降溫階段。由于坩堝壁的激冷作用,在熔體內(nèi)部形成三個(gè)溫度區(qū)。三者溫差隨時(shí)間增加而逐漸減小。降低坩堝外壁的傳熱,可以顯著改變漿料內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布,減小漿料邊部到心部的溫差,明顯提高了A201鋁合金半固態(tài)漿料組織均勻性,初生α-Al晶粒更加均勻圓整,邊部的枝晶層基本消失。對(duì)后續(xù)改進(jìn)SEED制漿坩堝的設(shè)計(jì),提高SEED制備漿料的質(zhì)量提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。研究分析了 SEED工藝下晶粒的形核及近球形/球形的生長(zhǎng)機(jī)制。SEED漿料的晶核主要來(lái)源于兩個(gè)部分:一是低過(guò)熱度澆注下,熔體在坩堝的激冷作用下形成了大量晶核;二是合金熔體迅速降溫到過(guò)冷狀態(tài)下,液相發(fā)生了整體形核。在激冷階段,界面張力對(duì)界面穩(wěn)定性起主導(dǎo)作用,同時(shí)熔體中存在較大的溫度梯度和較強(qiáng)的對(duì)流混合作用,抑制了成分過(guò)冷,初生α-Al球晶能維持界面穩(wěn)定;在弱對(duì)流的平緩冷卻階段,在高密度晶粒和低速冷卻的條件下,由于晶粒之間濃度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的疊加,減小了界面前沿的溶度梯度和溫度梯度,溶質(zhì)的分布更為均勻,因此提高了界面穩(wěn)定性,使初生α-Al能夠繼續(xù)保持球形生長(zhǎng)。設(shè)計(jì)了半固態(tài)壓鑄熱裂評(píng)價(jià)模具,建立了半固態(tài)壓鑄的熱裂傾向評(píng)價(jià)方法。鑄造壓力越高,A201鋁合金試棒的熱裂傾向越低,當(dāng)壓力從30MPa增加到90MPa,熱裂敏感性指數(shù)從38降到0.3,在本研究中,半固態(tài)成形組織晶粒保持了近球形和薔薇顆粒狀,液體在壓力較低時(shí)也能實(shí)現(xiàn)有效補(bǔ)縮,熱裂傾向降低的最主要原因是增加壓力更大的補(bǔ)償了鑄件內(nèi)部收縮應(yīng)力。當(dāng)模具溫度從50℃升高到200℃,熱裂敏感性指數(shù)從35降低到3。驗(yàn)證了高性能鋁合金高固相分?jǐn)?shù)半固態(tài)成形高端復(fù)雜零部件的工程化應(yīng)用前景。通過(guò)提高模具溫度,改善了 A201鋁合金半固態(tài)漿料的對(duì)壓葉輪葉片的充填能力,同時(shí)增加鑄造壓力可以有效提高A201鋁合金半固態(tài)壓葉輪內(nèi)部的組織致密性。最后制備出了高質(zhì)量的A201鋁合金壓葉輪鑄件,相比319s鋁合金半固態(tài)葉輪和2618鋁合金鍛造葉輪產(chǎn)品的力學(xué)性能更高,經(jīng)過(guò)T71熱處理后,屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為402MPa、475MPa和7.3%。
【圖文】：

、機(jī)械裝備、電子電氣、建筑、包裝、耐用品等領(lǐng)域得消費(fèi)量近次于鋼鐵的第二金屬。２０１５年，世界原鋁產(chǎn)量２－１所示，創(chuàng)歷史新高，其中我國(guó)的產(chǎn)量占到５４．７％＾然己經(jīng)成為鋁消費(fèi)第一大國(guó)，但是我國(guó)的鋁消費(fèi)結(jié)構(gòu)與區(qū)相比還有較大差距。２０１０年，在北美、西歐和日本，量最高，超過(guò)消費(fèi)總量的１／３，其次是機(jī)械裝備業(yè)、建筑國(guó)，鋁消費(fèi)量最高的是建筑業(yè)，其次是電子電氣行業(yè)，再］。逡逑別反映出鋁合金在我國(guó)交通運(yùn)輸業(yè)的推廣應(yīng)用不到位，。以汽車(chē)工業(yè)為例，，２０１２年我國(guó)汽車(chē)平均用鋁量?jī)H為１上世紀(jì)末的水平，如圖２－２所示。德國(guó)奧迪公司推鋁合金使用量在２００２年就己經(jīng)達(dá)到了邋２７７ｋｇ，其中包量６１邋ｋｇ）、３１件鑄件（總重量３９邋ｋｇ）和１７７件薄板（總重量還在不斷改進(jìn)，鋁合金使用量還在不斷提升［１４１逡逑６０００邋－邋＿＿邋＿＿邋邋邋－■邐逡逑－逡逑

在交通運(yùn)輸、機(jī)械裝備、電子電氣、建筑、包裝、耐用品等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)逡逑用，成為了消費(fèi)量近次于鋼鐵的第二金屬。２０１５年，世界原鋁產(chǎn)量達(dá)到５７８９逡逑萬(wàn)噸，如圖２－１所示，創(chuàng)歷史新高，其中我國(guó)的產(chǎn)量占到５４．７％＾。逡逑我國(guó)雖然己經(jīng)成為鋁消費(fèi)第一大國(guó)，但是我國(guó)的鋁消費(fèi)結(jié)構(gòu)與歐美等發(fā)逡逑達(dá)國(guó)家和地區(qū)相比還有較大差距。２０１０年，在北美、西歐和日本，交通運(yùn)輸逡逑業(yè)的鋁消費(fèi)量最高，超過(guò)消費(fèi)總量的１／３，其次是機(jī)械裝備業(yè)、建筑業(yè)和包裝逡逑業(yè)［８］。在我國(guó)，鋁消費(fèi)量最高的是建筑業(yè)，其次是電子電氣行業(yè)，再次才是交逡逑通運(yùn)輸業(yè)［９］。逡逑這種差別反映出鋁合金在我國(guó)交通運(yùn)輸業(yè)的推廣應(yīng)用不到位，還有很大逡逑的提升空間。以汽車(chē)工業(yè)為例，２０１２年我國(guó)汽車(chē)平均用鋁量?jī)H為１０８ｋｇ，相逡逑當(dāng)于歐美在上世紀(jì)末的水平，如圖２－２所示。德國(guó)奧迪公司推出的Ａ８汽逡逑車(chē)
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TG249.2;TG146.21

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本文編號(hào)：2635839