鋁硅合金變質(zhì)條件下凝固過程及模擬的研究.pdf

1、鑄造Al-Si合金廣泛應(yīng)用于鑄造形狀復(fù)雜的薄壁零件、航空工業(yè)承受高靜載荷零件、氣缸體、氣缸蓋等，是一種重要的工業(yè)合金。Al-Si合金的凝固過程是影響鑄件質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，因此有必要對其進(jìn)行深入了解。本文通過試驗(yàn)獲取數(shù)據(jù)并對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立了Al-Si合金在變質(zhì)條件下的過冷度預(yù)測模型和微觀組織的定量模型，并研究了Al-Si合金的潛熱釋放規(guī)律。通過計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)研究Al-Si合金的凝固過程及其微觀組織的形成過程，能夠起到輔助

2、優(yōu)化生產(chǎn)工藝，改善鑄件質(zhì)量，縮短研發(fā)周期的作用。
　　 過冷度是凝固過程中備受關(guān)注的主要問題之一。論文針對金屬型條件下經(jīng)過變質(zhì)的Al-Si合金的凝固特點(diǎn)，建立了其在不同凝固階段（初生相階段、共晶相階段）的過冷度預(yù)測性模型，該模型與冷卻速度密切相關(guān)的。本文選取了Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在7％～17％的Al-Si合金作為試驗(yàn)合金，并通過設(shè)計(jì)具有不同厚度階梯的階梯型鑄件模具，實(shí)現(xiàn)了Al-Si合金在不同冷卻速度條件下的凝固過程。在Al-Si合金的

3、凝固過程中，本文使用溫度采集模塊對各個(gè)階梯中心部位的溫度進(jìn)行了測量和記錄。通過計(jì)算機(jī)輔助分析冷卻曲線，分析Al-Si合金凝固過程中形核過冷度與冷卻速度的關(guān)系，進(jìn)而建立了相關(guān)的過冷度預(yù)測性模型。
　　 當(dāng)前合金的力學(xué)性能預(yù)測仍然基于合金的微觀組織。本文通過定量分析冷卻速度和金相組織，考察了在Al-Sr中間合金變質(zhì)條件下亞共晶Al-Si合金和共晶Al-Si合金的初生α相的二次枝晶間距(SDAS)的變化規(guī)律，對已有的SDAS模型進(jìn)行了

4、改進(jìn)，建立了Sr變質(zhì)條件下的SDAS預(yù)測模型。此外，本文還考察了Al-P中間合金變質(zhì)條件下過共晶Al-Si合金的初生Si的形核數(shù)量，分析了不同冷速條件下的初生Si的面密度和體密度。
　　 所有的Al-Si合金凝固過程都要經(jīng)歷共晶階段，因此，建立基于共晶團(tuán)形核生長的確定性模型是十分必要的。為了使數(shù)值模擬計(jì)算既能保證一定的計(jì)算效率，又能通過微觀組織模擬較好地反映凝固過程，本文在計(jì)算過程中，對初生相凝固階段仍然采用宏觀的計(jì)算方法，而對

5、共晶相凝固階段則建立了微觀組織的確定性模型，采用宏微觀結(jié)合的計(jì)算方法進(jìn)行模擬計(jì)算。通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定了形核模型和生長模型需要的基本參數(shù)范圍，并在模擬計(jì)算中對參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，確定了共晶組織微觀模擬計(jì)算需要的較為準(zhǔn)確的參數(shù)數(shù)據(jù)。
　　 凝固潛熱是影響傳熱過程數(shù)值模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的重要因素。本文在分析Al-Si合金潛熱釋放特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，建立了根據(jù)Si含量計(jì)算Al-Si合金潛熱的計(jì)算模型。本文通過兩種方法研究Al-Si合金的潛熱釋放規(guī)律

6、。第一種方法是計(jì)算機(jī)輔助冷卻曲線分析法(CA-CCA)。通過分析符合牛頓冷卻條件的CA-CCA試驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)CA-CCA方法雖然可以計(jì)算其潛熱，然而該潛熱的誤差較大，因此，本文建議不采用由此計(jì)算的潛熱數(shù)值進(jìn)行模擬計(jì)算;但是該方法提供了固相率變化等相關(guān)信息，有助于輔助認(rèn)識和分析實(shí)際的凝固過程。另一種方法是差示掃描量熱法(DSC)。首先，對高純Al-Si合金進(jìn)行了大量的DSC試驗(yàn)研究，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)Al-Si合金的潛熱值在共晶成分兩側(cè)分別呈現(xiàn)

7、線性規(guī)律，由此建立了Al-Si合金的潛熱計(jì)算公式。其次，對試驗(yàn)鑄件的測溫部位取樣進(jìn)行DSC試驗(yàn)，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)獲得的潛熱數(shù)值與高純Al-Si合金的潛熱數(shù)值存在一定差距，但其差值方面仍然具有規(guī)律性，因此，可以根據(jù)高純Al-Si合金的潛熱公式對其進(jìn)行估算。
　　 為了解決目前宏微觀模擬耦合計(jì)算中存在的耗時(shí)長的問題，本文基于上述的過冷度預(yù)測模型，建立了初生相采用宏觀模擬方法和共晶相采用宏微觀相結(jié)合的模擬方法，即對Al-Si合金的初生相凝

8、固過程采用Scheil方程處理固相率的變化，而對共晶相的凝固過程則建立了相應(yīng)的確定性計(jì)算模型處理相應(yīng)的形核和生長問題?；赪indowsXP的系統(tǒng)平臺，本文通過VisualC++6.0編程實(shí)現(xiàn)了該模型對試驗(yàn)鑄件的模擬計(jì)算。其中，共晶Al-Si合金的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性;而對于擁有初生相的Al-Si合金的凝固計(jì)算，雖然其冷卻速度變化與試驗(yàn)結(jié)果有一定差距，但總體的凝固時(shí)間上仍然具有準(zhǔn)確性。本文根據(jù)計(jì)算的凝固時(shí)間和建立的SDAS