【摘要】：凝固組織形貌和尺寸的有效控制是制備合金漿料的關(guān)鍵環(huán)節(jié),也是半固態(tài)加工領(lǐng)域不斷追求的目標(biāo),同時又是材料科學(xué)研究和工程應(yīng)用中的核心內(nèi)容。因此,有效控制材料的凝固進(jìn)程從而獲得高品質(zhì)漿料對于半固態(tài)加工具有重要的意義。半固態(tài)加工作為新興材料加工技術(shù)具有顯著的特點:近凈成形、高效節(jié)能和清潔環(huán)保,被譽為21世紀(jì)“綠色”材料加工技術(shù)。本文立足于高性能半固態(tài)鋁合金漿料制備這一基本點,利用半固態(tài)加工技術(shù)(SSM)和磁流體力學(xué)(MHD)結(jié)合形成的材料電磁加工技術(shù)及稀土元素復(fù)合作用于鋁合金的凝固過程。研究電磁場和稀土元素復(fù)合作用下鋁合金凝固組織演化和性能優(yōu)化規(guī)律,主要研究內(nèi)容與結(jié)果簡要概括如下:1、利用雙向電磁攪拌并結(jié)合稀土元素作用于A356鋁合金的凝固過程,研究磁場頻率(10、20、30、40Hz)、電磁攪拌方式以及稀土(0%RE、0.5%Ce和0.3%La+0.2%Yb)對初生相α-Al晶粒尺寸、形貌及分形維數(shù)的影響。結(jié)果表明:30Hz是獲取尺寸細(xì)小、形貌圓整的初生相較為合適的電磁頻率,且在30Hz雙向連續(xù)攪拌及混合稀土復(fù)合作用下初生相的尺寸細(xì)小、形貌圓整。其平均等積圓直徑為36.4μm,形狀因子為0.82,分形維數(shù)為1.3133。2、研究和分析雙向連續(xù)電磁攪拌下磁場頻率(5、15、25、35Hz)對合金鑄錠徑向不同位置(0R、0.7R、1R)凝固組織及稀土元素La沿徑向分布規(guī)律的影響。結(jié)果表明:頻率增加,初生相的尺寸逐漸細(xì)化和球化;稀土元素形態(tài)由針狀向點狀演化。在25Hz、0.7R處初生相的尺寸最細(xì)小圓整,其平均等積圓直徑達(dá)到36.2μm形狀因子為0.83;稀土元素La呈細(xì)點狀彌散分布。3、采用雙向間歇電磁攪拌技術(shù)制備半固態(tài)A356-Ce合金漿料。研究磁場頻率(10、20、30、40Hz)、間歇時間(0、1、3、5s)對凝固組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明:30Hz、間歇時間3s條件下初生相細(xì)化球化程度較大。其平均等積初圓直徑為35.2μm形狀因子為0.81。另外,利用SEM研究30Hz單向連續(xù)攪拌、30Hz雙向間歇3s攪拌以及常規(guī)鑄造時合金的拉伸性能與斷口形貌特征。發(fā)現(xiàn)30Hz雙向間歇3s攪拌下合金的抗拉強度和塑性顯著增強,斷裂方式由脆性斷裂過渡為脆性斷裂和韌性斷裂的混合方式。4、結(jié)合雙向電磁攪拌和等溫保溫技術(shù),提出了一種復(fù)合漿料制備新工藝:雙向連續(xù)電磁攪拌+等溫?zé)崽幚�。分析了新工藝制備漿料時,30Hz雙向連續(xù)電磁攪拌后等溫溫度580~610℃、等溫時間3~15min對凝固組織的影響。結(jié)果表明,隨著溫度升高、時間延長,初生相逐漸細(xì)化球化,在600℃、7min熱處理條件下初生相的尺寸細(xì)化和球化程度最佳,其平均等積圓直徑為29.4μm,形狀因子為0.86。本文的創(chuàng)新之處:探討了雙向電磁攪拌與稀土元素復(fù)合作用下鋁合金凝固組織演化規(guī)律,分析了不同攪拌方式下金屬液的流動規(guī)律以及稀土元素在合金中的存在形式和分布規(guī)律;另外,基于分形理論對不規(guī)則圖形或?qū)ο螵毺氐谋碚髂芰?采用分形維數(shù)對初生相α-Al的晶粒尺寸細(xì)化和形貌圓整程度進(jìn)行定量表征,為聯(lián)系組織與性能這兩個表征材料性質(zhì)的指標(biāo)構(gòu)建了間接“橋梁”。
【圖文】：

金屬熔體處于半固態(tài)溫度區(qū)間，隨后利用加工設(shè)備將固液兩相共存的金屬液的過程定義為半固態(tài)加工。該技術(shù)起源于 1971 年 D.B.Spencer 博士在測Pb 合金高溫粘度時[8]，發(fā)現(xiàn)在合金凝固過程中對其進(jìn)行機械攪拌，熔體內(nèi)部生了破碎和分離“母體”現(xiàn)象。從而制備了具有流變特性的金屬漿料。據(jù)半固態(tài)加工過程中是否含有二次加熱可將其分為兩個基本類別[9]：流變成形。流變成形的原理是將具有球狀非枝晶固相顆粒的金屬漿料直接通過成形所需尺寸、形狀和精度要求的鑄件的工藝過程。流變成形工藝具有獨特的優(yōu)低能耗、無需二次加熱；此外成形壓力小且可實現(xiàn)連續(xù)制備，，漿料的制備和度一體化。但漿料轉(zhuǎn)運過程中熔體的溫度不易控制，降溫快，導(dǎo)致漿料流動利于高質(zhì)量漿料的制備。因此，主要用于實驗室研究，還未實現(xiàn)大批量工業(yè)。觸變成形是將預(yù)成形坯料分割成多個小金屬塊，并再次將其升溫至液相線隨后利用成形設(shè)備制備成形的過程，其工藝過程圖見圖 1.1 所示。觸變成形缺陷在于：工藝流程和成形周期長，性價比低以及能耗問題突出，但是其成的范圍較流變成形更廣，適用于各種變形鋁合金以及金屬基復(fù)合材料。

術(shù)的發(fā)展以及新材料的制備和開發(fā)都具有顯著影響。高品質(zhì)有一定數(shù)量晶粒尺寸細(xì)小、分布均勻和圓整度高的球狀晶粒細(xì)晶漿料制備方法，主要以物理場控制法（電場、電磁場和法為主。制法[17]：是指當(dāng)合金熔體處于半固態(tài)溫度區(qū)間時引入物理場作用，來提升合金的性能。當(dāng)前該制備方法探究內(nèi)容主要是以：合金凝固時施加直流、交流電和脈沖電流進(jìn)行處理，利用電樹枝晶，從而得到非枝晶漿料。(2)電磁場處理：懸浮金屬液感應(yīng)電流與磁場間交互作用形成電磁體積力，并對金屬液產(chǎn)化晶粒，其中圖 1.2 所示為電磁攪拌法。(3)超聲波振動處理，促使熔體內(nèi)部形成較強的聲流效應(yīng)和空化效應(yīng)[18]。從而有了組織均勻性，超聲波振動處理法的圖示見圖 1.3。參數(shù)法[19]：是指通過精確地調(diào)控合金凝固時的凝固工藝參數(shù)（溫溫度和等溫時間等），從而有效的調(diào)節(jié)初生相的形核和長非枝晶組織。
【學(xué)位授予單位】：江西理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG292

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2644288