半固態(tài)鋁合金的超聲振動制漿及其流變成形技術研究.pdf

1、半固態(tài)成形作為一種新型的材料加工技術能夠生產出形狀復雜且力學性能優(yōu)異的近凈形零件。半固態(tài)成形包括流變成形和觸變成形,流變成形以其低成本和高生產率等優(yōu)點成為近年來半固態(tài)成形領域研究的熱點,流變成形的關鍵在于開發(fā)高效的制漿工藝,超聲振動制漿工藝就屬于其中的一種。5000系列變形鋁鎂合金廣泛應用于飛機、汽車、艦船、家電等領域,而傳統(tǒng)的塑性成形工藝難以制造壁厚差別大的零件,半固態(tài)成形工藝有望解決這一問題并擴大該類合金的應用范圍。本文利用直接超聲

2、振動法制備出5052鋁合金半固態(tài)漿料,并開發(fā)出一種新型的間接超聲振動制漿技術,將制得的鋁合金半固態(tài)漿料直接壓鑄或擠壓鑄造成形。
　　首次探索了制備5052變形鋁鎂合金半固態(tài)漿料的可行性及其充型能力。利用直接超聲振動法制備半固態(tài)漿料,系統(tǒng)地研究了啟振溫度、超聲作用時間和后續(xù)保溫時間對半固態(tài)漿料組織的影響。結果表明,在665～675℃這一溫度區(qū)間開始對5052鋁合金熔體進行超聲處理,90s后可獲得初生α-Al晶粒直徑在110μm左右、

3、形狀系數(shù)在0.4以上的非枝晶半固態(tài)漿料。當澆注溫度為637℃、壓射比壓為80MPa、壓射速度為3.5m/s時,漿料具有最佳的充型能力。
　　開發(fā)出一種新型的間接超聲振動制漿裝置,通過對樣杯底部施加超聲振動以間接的方式處理杯內鋁合金熔體。借助統(tǒng)計能量分析法(SEA)計算了樣杯內鋁液的聲壓分布情況以及樣杯各處的均方振速。結果表明,超聲波主要通過樣杯底部發(fā)生的共振傳入鋁液,并在鋁液內產生一自杯底向液面遞減的聲壓梯度,杯底附近鋁液的聲壓達

4、到了4.86MPa,樣杯與變幅桿共振時杯底均方振速為5.393m/s。物理模擬試驗證明間接超聲振動能使液體內部產生聲流效應、空化效應和熱效應。
　　采用間接超聲振動法制備出高質量的鋁合金半固態(tài)漿料。與直接超聲振動法相比,間接超聲振動法制漿效率更高,制漿效果更好,且避免了鋁液對鈦合金變幅桿的腐蝕。系統(tǒng)地研究了間接超聲振動啟振溫度和超聲作用時間對5052、5083和ZL101鋁合金半固態(tài)漿料組織的影響。在一定的制漿時間內,為避免漿料中

5、出現(xiàn)大量的玫瑰狀組織,啟振溫度設置在合金的液相線為宜。在液相線溫度開啟振動30s后,初生α-Al相的平均晶粒直徑和平均形狀系數(shù)均隨超聲作用時間的延長而不斷增大,在50s左右能獲得晶粒直徑和形狀系數(shù)匹配良好的半固態(tài)漿料,此時三種鋁合金半固態(tài)漿料的初生α-Al相平均晶粒直徑在75μm以下,平均形狀系數(shù)高于0.52。間接超聲振動對半固態(tài)漿料還兼具除氣作用。
　　結合高固相分數(shù)半固態(tài)漿料中非枝晶組織的演化過程,探討了間接超聲振動的制漿機理

6、。樣杯底部產生的空化效應促進熔體非均質形核,同時,對熔體有冷卻作用的樣杯底也是形核的重要場所。附著在杯底的細小晶粒在高頻機械振動作用下于杯底-晶粒界面處產生微裂紋,隨后被空化泡和液流沖擊脫落進入熔體內部而成為異質核心。在聲流效應和空化效應的攪拌下,熔體中的晶核直接生長為球晶。
　　研究了間接超聲振動時間對半固態(tài)流變壓鑄件的組織和力學性能的影響。由超聲處理50s的漿料壓鑄而得的鑄件具有最佳的力學性能,該條件下的ZL101和5083鋁

7、合金的力學性能優(yōu)于傳統(tǒng)液態(tài)壓鑄件。
　　開發(fā)出5052、5083和ZL101鋁合金的流變擠壓鑄造工藝,獲得了力學性能優(yōu)異的半固態(tài)成形件。重點研究了間接超聲振動時間、擠壓壓力和模具預熱溫度對5052鋁合金流變擠壓鑄件的組織與力學性能的影響規(guī)律。當超聲處理時間為50s、擠壓壓力為100MPa、模具預熱溫度為300℃時鑄件具有最佳的力學性能,鑄件的抗拉強度和伸長率分別為225MPa和17.8％,與液態(tài)擠壓鑄件相比,分別提高了9.7％和4