發(fā)布時間：2021-07-30 04:42

　　隨著航空航天輕量化的要求越來越高,鋁合金被廣泛用于制造鑄件,且對鑄件力學(xué)性能和冶金質(zhì)量提出更高要求。低壓鑄造技術(shù)在鋁合金成型方面具有獨特優(yōu)勢,近年來得到了人們越來越多的重視。但是,我國在低壓鑄造方面的研究起步較晚,特別是在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用很大程度上受到原有重力鑄造工藝設(shè)計的影響,在復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄件低壓鑄造工藝設(shè)計方面缺乏理論依據(jù)。本文針對上述問題,系統(tǒng)研究了典型鋁合金機(jī)匣鑄件的低壓鑄造工藝與后續(xù)熱處理對鑄件缺陷及殘余應(yīng)力的影響。設(shè)計簡單幾何結(jié)構(gòu),通過FLOW-3D數(shù)值模擬研究了低壓鑄造過程中的型腔結(jié)構(gòu)參數(shù)對金屬液自由表面流動狀態(tài)影響規(guī)律,探明了ZL114A的低壓鑄造臨界充型速度。針對機(jī)匣鑄件結(jié)構(gòu)特點設(shè)計了五種澆注系統(tǒng)方案,并利用PROCAST對五種方案低壓鑄造過程進(jìn)行了模擬,理清了機(jī)匣鑄件缺陷控制思路,揭示了充型加壓參數(shù)對鑄件缺陷的影響規(guī)律與機(jī)制。最后,對鑄件凝固及熱處理過程的殘余應(yīng)力進(jìn)行了分析,闡明了鑄件在凝固成型以及熱處理過程中的應(yīng)力狀態(tài)。主要研究結(jié)果如下:720℃的ZL114A合金熔體低壓鑄造臨界充型速度在0.2m/s到0.3m/s之間,小于鋁合金臨界充型速度的理論值（0.5m/s... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：105 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

表面膜卷入過程示意圖[4]

厶迥誆康乃?隳と畢藎?諍笮?湫凸?程中都要受到流場的影響，隨金屬液流扭曲彎折甚至糾纏。因此可以認(rèn)為，流場不但會造成雙層膜，而且對其最終分布也有決定作用。除了流場之外，當(dāng)然由于氧化薄膜與合金熔體之間的密度差造成的浮力也對其運動有影響。卷入的雙層膜缺陷最終能否上浮與該密度差有關(guān)。對于密度較大的銅合金而言，卷入的雙層膜缺陷通常能夠在浮力作用下上�。o態(tài)無流動情況下），但是對于鋁合金和鎂合金來說，熔體與氧化層的密度差并不足以使其迅速上浮，往往長時間保溫靜置熔體才能減少氧化層的相對含量[6]。圖1-2自由表面收縮后引起的表面膜折疊[5]目前，已有很多研究證實了雙層膜缺陷的存在。由于雙層膜缺陷的“三明治”結(jié)構(gòu)內(nèi)部干面與干面難以結(jié)合，因此會在凝固的鑄件內(nèi)部形成微裂紋，成為拉伸過程中斷裂的裂紋源，削弱基體的強(qiáng)度并降低延伸率。也正是因此，很多鋁合金鑄件的拉伸性能測試樣品的斷口上都能夠觀察到這種氧化層的存在。如圖1-3所示[7]，為鋁合金斷口上觀察到的氧化層，因為斷口兩面均含有氧化層，且兩處氧化層形狀剛好對稱，印證了雙層膜缺陷的折疊結(jié)構(gòu)及其在拉伸斷裂中的作用。懸浮在鋁合金鑄件雙膜類似的裂紋性質(zhì)會導(dǎo)致鑄件過早失效，從而降低機(jī)械性能（拉伸強(qiáng)度，延展性和疲勞壽命）。Al-Si-Mg的鑄態(tài)強(qiáng)度和延展性的降低與鋁合金和試樣斷口缺陷（孔隙率和氧化膜）的面積分?jǐn)?shù)有關(guān)。Campbell通過X射線觀察到了鋁合金鑄件充型過程中的液流表面折疊現(xiàn)象，并對該澆注過程獲得的試棒進(jìn)行了力學(xué)測試，發(fā)現(xiàn)試棒延伸率僅為0.3%。而在同一鑄件上，距離該紊流位置250mm的另一試棒中未發(fā)現(xiàn)紊流現(xiàn)象，此無紊流試棒的延伸率達(dá)到3%。Liu和Samuel[8]等人研究了在新合金、再生合金、具有不同攪拌時間的熔體、不同熔體的保溫時間

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文-4-條件下澆注的A356鑄件。他們發(fā)現(xiàn)與其他夾雜物相比，氧化膜對機(jī)械性能的有害影響要大得多，并且在伸長率百分比夾雜物/氧化膜的面積百分比的對數(shù)之間建立了線性關(guān)系。圖1-3鑄造鎂合金斷口形貌中的對稱氧化膜結(jié)構(gòu)[7]Mi等人[9]檢測了不同充型條件下Al-4.5Cu鑄件的抗拉強(qiáng)度，結(jié)果表明，隨著充型流速增加，鑄件抗拉強(qiáng)度下降。當(dāng)充型卷入的氧化物含量增加到15±2％時，鑄件的抗拉強(qiáng)度的Weibull模數(shù)從36急劇下降到13，之后氧化物含量繼續(xù)增加，抗拉強(qiáng)度的Weibull統(tǒng)計模數(shù)保持不變。Jiang[10]發(fā)現(xiàn)Al-7Si-Mg鑄件的疲勞裂紋由試樣表面附近的氧化膜（呈折疊或纏結(jié)形式）位置萌生。Nyahumwa[11]對Al-7Si-Mg合金進(jìn)行了疲勞實驗，采用有過濾和沒有過濾的底注式澆注系統(tǒng)澆注鑄件。對澆注獲得的鑄件進(jìn)行拋光后發(fā)現(xiàn)，底注式帶有過濾網(wǎng)的鑄件表面光滑完整，而不使用過濾網(wǎng)的鑄件表面出現(xiàn)大量網(wǎng)狀纏結(jié)的氧化物形貌。且使用過濾網(wǎng)澆注的鑄件疲勞壽命明顯高于不使用過濾網(wǎng)澆注的鑄件。且斷口分析表明疲勞裂紋是由氧化膜缺陷位置萌生的。在未加過濾的鑄件和加過濾的鑄件中，舊氧化物均充當(dāng)疲勞裂紋的裂紋源，但在未加過濾網(wǎng)的鑄件中，還發(fā)現(xiàn)了新卷入的薄氧化膜缺陷和附著在這些氧化膜上的氣孔作為疲勞裂紋的裂紋源。此外，加過濾網(wǎng)的鑄件疲勞斷裂過程中滑移機(jī)制的貢獻(xiàn)比未加過濾網(wǎng)的鑄件更大。通過兩參數(shù)Weibull統(tǒng)計分析氧化膜缺陷與鑄件疲勞壽命的關(guān)系，表面新卷入的氧化膜比舊的氧化膜對疲勞壽命危害更大[12]。Haberl[13]等人對LM25鑄件的疲勞壽命進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著熔體中氧化物含量減低，鑄件疲勞壽命循環(huán)次數(shù)從120000增加到了220000。除此之外，雙層膜缺陷還是縮松和氣孔的形成基底，并且對合金中析出相的形貌也有影響。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]雙膜缺陷在ZL101A合金石膏型精鑄縮松形成中作用研究[J]. 王狂飛,喬江濤,南紅艷,劉寶忠,孫尚松.  鑄造. 2018(05)
[2]應(yīng)用無量綱Niyama判據(jù)優(yōu)化大型薄壁鑄件澆冒系統(tǒng)[J]. 康茂東,王俊,高海燕,王國祥,何樹先.  鑄造技術(shù). 2017(07)
[3]半固態(tài)鋅合金的凝固傳熱與固相率[J]. 張瑩,周志磊,陳楊華,賈國瑞,馬強(qiáng).  金屬熱處理. 2013(11)
[4]基于ProCAST的鑄造應(yīng)力數(shù)值模擬探討[J]. 楊遠(yuǎn)平,張榜英,陶韻暉.  熱加工工藝. 2012(19)
[5]汽車鑄件低壓鑄造的臨界加壓速度數(shù)值模擬研究[J]. 趙志剛,施得運.  熱加工工藝. 2011(23)
[6]特大型鋁合金導(dǎo)體金屬型低壓鑄造工藝的探討[J]. 孫起立.  特種鑄造及有色合金. 2010(09)
[7]低壓鑄造充型工藝的國內(nèi)研究現(xiàn)狀[J]. 施得運,毛紅奎,徐宏,薛莉.  熱加工工藝. 2010(17)
[8]鋁合金輪轂奔向汽車的未來[J]. 劉道春.  有色金屬加工. 2010(02)
[9]淺談中國鋁輪轂產(chǎn)業(yè)競爭力的提升[J]. 唐學(xué)慶.  黑龍江科技信息. 2009(03)
[10]汽車殼體低壓鑄造工藝與模具設(shè)計[J]. 陳宗民.  熱加工工藝. 2008(01)

博士論文
[1]反重力鑄造充型過程的水力學(xué)特征和氧化膜卷入機(jī)制[D]. 劉閃光.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2016

碩士論文
[1]ZL205A合金鑄造過程粘彈塑性本構(gòu)模型及筒形件變形規(guī)律[D]. 史玉童.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2017
[2]曲軸箱體金屬型低壓鑄造過程數(shù)值模擬及工藝研究[D]. 趙信毅.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2013
[3]電磁低壓鑄造電磁力補(bǔ)償模型實驗研究[D]. 郭秀琴.中北大學(xué) 2010
[4]AZ31鎂合金板材溫?zé)岣咚俾时緲?gòu)關(guān)系研究[D]. 薛翠鶴.武漢理工大學(xué) 2010



本文編號：3310716