發(fā)布時(shí)間：2018-12-11 16:19

【摘要】：大型鑄鍛件產(chǎn)品是電力、冶金、交通、石化、基礎(chǔ)機(jī)械和國防等工業(yè)的基礎(chǔ)部件,大型鑄鍛件行業(yè)是發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)的必需行業(yè)和關(guān)鍵行業(yè)。鋁合金大型鑄鍛件在力學(xué)性能、輕量化、可回收等方面具有很大優(yōu)勢,有廣闊的應(yīng)用前景和極大的研究價(jià)值,其中Al-Zn-Mg-Cu合金屬于可熱處理強(qiáng)化的超高強(qiáng)變形鋁合金,廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、運(yùn)輸、建筑等領(lǐng)域,在國內(nèi)大型鑄鍛件行業(yè)“十二五”規(guī)劃重點(diǎn)內(nèi)容中就包含了對該系鋁合金的研究。然而,該系合金由于合金化程度高、固液相線溫差較大,鑄錠易開裂、易偏析,大大降低了合金的成材率和力學(xué)性能。 本論文選用Al-Zn-Mg-Cu合金中廣泛應(yīng)用且綜合性能優(yōu)異的7075鋁合金作為研究對象,針對合金大鑄錠制備過程中存在開裂和偏析等問題,提出了解決方案,即開發(fā)了一種先進(jìn)的耦合攪拌技術(shù),該技術(shù)同時(shí)運(yùn)用了電磁攪拌和螺旋芯棒機(jī)械攪拌作用,并用該技術(shù)制備了直徑為Φ300mm的7075鋁合金鑄錠。文中利用數(shù)值模擬研究了耦合攪拌技術(shù)對半連鑄過程的影響,全面系統(tǒng)的研究和對比了普通半連鑄和耦合攪拌鑄造制備的鑄錠鑄態(tài)的組織特征和成分偏析、均勻化熱處理過程組織演變、熱變形行為、固溶時(shí)效后組織性能等,研究結(jié)果表明： (1)7075鋁合金采用傳統(tǒng)半連續(xù)鑄造制備大鑄錠過程中熔體徑向溫差較大,導(dǎo)流管內(nèi)熔體溫度波動范圍在30～50℃,溫度分布很不均勻,鑄錠易開裂,存在嚴(yán)重的反偏析現(xiàn)象,鑄錠邊部、1/2R處和心部的晶粒大小分別為132.2μm、638.3μm和770.5μm,晶粒都為粗大且大小不均勻的樹枝晶。化學(xué)細(xì)化后鑄錠平均晶粒尺寸為160μm,晶粒圓整度得到提高,但是還存在大量粗大的樹枝晶,徑向晶粒大小偏差高達(dá)33%。鑄造工藝優(yōu)化后鑄錠開裂率減小,成材率提高,然而所制備鑄錠平均晶粒大小變化不大,徑向晶粒大小偏差為30%,鑄錠還是存在很嚴(yán)重的不均勻和開裂現(xiàn)象。表明7075鋁合金鑄錠易開裂、組織不均勻、成分偏析,化學(xué)法和工藝法難以明顯改善。 (2)提出了一種電磁和機(jī)械耦合攪拌技術(shù),其中機(jī)械攪拌采用了螺旋式芯棒攪拌。利用Maxwell軟件進(jìn)行了電磁場模擬,表明沿鑄錠表面向心部電磁感應(yīng)強(qiáng)度和電磁力逐漸減小。利用Fluent軟件進(jìn)行半連續(xù)鑄造過程模擬,表明耦合攪拌技術(shù)減小了徑向溫度差異,提高了溫度分布均勻性,明顯改變了液穴的形狀,使得液穴變得更加平緩,液穴深度減小了24.5%,并且顯著改變了熔體的流動特征,在液穴內(nèi)耦合攪拌迫使熔體沿徑向、周向和縱向強(qiáng)對流,并且在結(jié)晶前沿產(chǎn)生了強(qiáng)烈流動。耦合攪拌產(chǎn)生的剪切力是單獨(dú)電磁攪拌和單獨(dú)機(jī)械攪拌剪切力之和,達(dá)到了強(qiáng)剪切效果,實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)制均勻凝固。 (3)普通半連鑄過程溫度波動范圍為20～50℃,而耦合攪拌鑄造過程溫度波動范圍可控制在1℃以內(nèi),顯著地改善了溫度波動現(xiàn)象。耦合攪拌后液穴形貌變得更加淺平,液穴深度由128mm減小到88mm,減小了31%。耦合攪拌所制備的鑄錠開裂率明顯減小,拓寬了制備7075鋁合金0300mm鑄錠的工藝窗口。 (4)耦合攪拌處理后鑄錠平均晶粒大小減小了13%,鑄錠徑向晶粒大小偏差由30%減小到9%,晶粒形狀也由樹枝晶變?yōu)榍驙罹Ш退N薇狀晶,經(jīng)過耦合攪拌處理后鑄錠中Zn、Mg及Cu平均偏析率分別為5.67%、4.52%和5.9%,明顯減小了反偏析現(xiàn)象,改善了元素分布均勻性。提出一種為470℃×12h+480℃×8h的新型雙級均勻化制度,利用該制度進(jìn)行均勻化處理,表明耦合攪拌使得第二相更容易溶解到基體中,提高了均勻化效果和固溶度。 (5)耦合攪拌前后鑄錠平均流變應(yīng)力分別為33MPa和29.6MPa,徑向流變應(yīng)力偏差由14%減小到5%,使得鑄錠流變應(yīng)力減小且更均勻。利用溫度修正和摩擦修正后的流變應(yīng)力構(gòu)建了本構(gòu)方程,且計(jì)算變形激活能表明耦合攪拌后激活能由233KJ/mol減小到151KJ/mol。根據(jù)熱加工圖,耦合攪拌后可加工區(qū)擴(kuò)大,失穩(wěn)區(qū)縮小,適合熱加工的工藝窗口增大,材料熱加工性能得以改善,提高了材料熱加工性能的穩(wěn)定性。耦合攪拌提高了固溶時(shí)效處理后合金的強(qiáng)度,其中抗拉強(qiáng)度提高了29MPa,而屈服強(qiáng)度提高了41MPa,但塑性改變不大。耦合攪拌也使得擠壓棒材縱截面再結(jié)晶晶粒大小更加均勻,也增加了時(shí)效析出相數(shù)量,使的晶界析出相變得細(xì)小且不連續(xù),但對晶間無析出帶影響不大。
[Abstract]:Large-scale casting and forging products are the basic components of electric power, metallurgy, transportation, petrochemical, basic machinery and national defense, and large-scale casting and forging industry is a necessary industry and key industry for the development of national economy. The aluminum alloy large-scale cast forging has a great advantage in the aspects of mechanical property, light weight and recovery, and has wide application prospect and great research value, wherein the Al-Zn-Mg-Cu alloy belongs to an ultra-high-strength and high-deformation aluminum alloy capable of being heat-treated and strengthened, and is widely applied to aviation, aerospace, automobile, transportation, In the field of building and other fields, the research on the aluminum alloy is included in the key content of the 鈥，

本文編號：2372852