半固態(tài)鋁合金的超聲振動(dòng)制漿及其流變成形技術(shù)研究.pdf

1、半固態(tài)成形作為一種新型的材料加工技術(shù)能夠生產(chǎn)出形狀復(fù)雜且力學(xué)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(chǎn)率等優(yōu)點(diǎn)成為近年來半固態(tài)成形領(lǐng)域研究的熱點(diǎn),流變成形的關(guān)鍵在于開發(fā)高效的制漿工藝,超聲振動(dòng)制漿工藝就屬于其中的一種。5000系列變形鋁鎂合金廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、汽車、艦船、家電等領(lǐng)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(kuò)大該類合金的應(yīng)用范圍。本文利用直接超聲

2、振動(dòng)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(dòng)制漿技術(shù),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(dòng)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(shí)間和后續(xù)保溫時(shí)間對半固態(tài)漿料組織的影響。結(jié)果表明,在665～675℃這一溫度區(qū)間開始對5052鋁合金熔體進(jìn)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(dāng)澆注溫度為637℃、壓射比壓為80MPa、壓射速度為3.5m/s時(shí),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(dòng)制漿裝置,通過對樣杯底部施加超聲振動(dòng)以間接的方式處理杯內(nèi)鋁合金熔體。借助統(tǒng)計(jì)能量分析法(SEA)計(jì)算了樣杯內(nèi)鋁液的聲壓分布情況以及樣杯各處的均方振速。結(jié)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(nèi)產(chǎn)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(dá)

4、到了4.86MPa,樣杯與變幅桿共振時(shí)杯底均方振速為5.393m/s。物理模擬試驗(yàn)證明間接超聲振動(dòng)能使液體內(nèi)部產(chǎn)生聲流效應(yīng)、空化效應(yīng)和熱效應(yīng)。
　　采用間接超聲振動(dòng)法制備出高質(zhì)量的鋁合金半固態(tài)漿料。與直接超聲振動(dòng)法相比,間接超聲振動(dòng)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(dòng)啟振溫度和超聲作用時(shí)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(shí)間內(nèi),為避免漿料中

5、出現(xiàn)大量的玫瑰狀組織,啟振溫度設(shè)置在合金的液相線為宜。在液相線溫度開啟振動(dòng)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(shí)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(shí)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(dòng)對半固態(tài)漿料還兼具除氣作用。
　　結(jié)合高固相分?jǐn)?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(dòng)的制漿機(jī)理

6、。樣杯底部產(chǎn)生的空化效應(yīng)促進(jìn)熔體非均質(zhì)形核,同時(shí),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(xì)小晶粒在高頻機(jī)械振動(dòng)作用下于杯底-晶粒界面處產(chǎn)生微裂紋,隨后被空化泡和液流沖擊脫落進(jìn)入熔體內(nèi)部而成為異質(zhì)核心。在聲流效應(yīng)和空化效應(yīng)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(dòng)時(shí)間對半固態(tài)流變壓鑄件的組織和力學(xué)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(xué)性能,該條件下的ZL101和5083鋁

7、合金的力學(xué)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(xué)性能優(yōu)異的半固態(tài)成形件。重點(diǎn)研究了間接超聲振動(dòng)時(shí)間、擠壓壓力和模具預(yù)熱溫度對5052鋁合金流變擠壓鑄件的組織與力學(xué)性能的影響規(guī)律。當(dāng)超聲處理時(shí)間為50s、擠壓壓力為100MPa、模具預(yù)熱溫度為300℃時(shí)鑄件具有最佳的力學(xué)性能,鑄件的抗拉強(qiáng)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