SCR技術(shù)制備A2017合金半固態(tài)材料組織演化與擴(kuò)展成形.pdf

1、本文研究工作是國(guó)家自然科學(xué)基金和上海寶鋼集團(tuán)公司聯(lián)合資助項(xiàng)目“SCR技術(shù)制備半固態(tài)材料組織演化與擴(kuò)展成形機(jī)制”(No.50274020)的部分內(nèi)容，以A2017合金為對(duì)象，系統(tǒng)研究了一種能夠連續(xù)高效制備半固態(tài)金屬的技術(shù)，即單輥剪切冷卻技術(shù)(Shearing/CoolingRollprocess，簡(jiǎn)稱(chēng)SCR技術(shù))，并根據(jù)SCR技術(shù)的設(shè)備結(jié)構(gòu)及工藝特點(diǎn)，提出半固態(tài)金屬的連續(xù)擠壓擴(kuò)展成形新工藝，解決了SCR技術(shù)制備半固態(tài)金屬與成形的一體化和連

2、續(xù)化問(wèn)題，主要工作及獲得的研究成果如下： (1)設(shè)計(jì)和建立一臺(tái)SCR實(shí)驗(yàn)機(jī)，采用實(shí)驗(yàn)機(jī)制備A2017合金半固態(tài)漿料，并流變鑄造成半固態(tài)錠坯，揭示了SCR工藝參數(shù)對(duì)半固態(tài)合金漿料組織的影響規(guī)律，優(yōu)化了流變鑄造工藝參數(shù)。結(jié)果表明，隨著熔體澆注溫度的降低或者輥靴型腔高度的減小，半固態(tài)合金漿料組織從粗大的枝晶和玫瑰晶逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小均勻的等軸晶。在本實(shí)驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)的技術(shù)參數(shù)條件下，澆注溫度為760～780℃，輥靴型腔高度為4～6mm，SCR技

3、術(shù)制各的A2017合金半固態(tài)漿料可直接流變鑄造得到質(zhì)量良好的半固態(tài)合金錠坯； (2)通過(guò)對(duì)SCR技術(shù)制備A2017合金半固態(tài)漿料輥靴型腔內(nèi)組織演化過(guò)程的實(shí)驗(yàn)觀察，認(rèn)為SCR技術(shù)制備半固態(tài)合金漿料過(guò)程存在搓動(dòng)剪切動(dòng)態(tài)凝固機(jī)制，使輥靴型腔內(nèi)合金形成動(dòng)態(tài)凝固形核→枝晶破碎→晶粒細(xì)化球化的組織演化過(guò)程，即熔體首先在冷卻靴和工作輥表面凝固形核并以枝晶形態(tài)生長(zhǎng)，在剪切攪拌作用下，枝晶脫落，部分枝晶退化成玫瑰晶，隨著剪切攪拌作用的加強(qiáng)，枝晶和

4、玫瑰晶破碎形成細(xì)小的等軸晶，等軸晶在碰撞摩擦過(guò)程中可形成球形晶； (3)首次采用有限元法對(duì)半固態(tài)合金連續(xù)擠壓擴(kuò)展成形過(guò)程熱流耦合場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬，建立了半固態(tài)合金連續(xù)擠壓擴(kuò)展成形過(guò)程的計(jì)算模型，確定了計(jì)算模型的邊界條件和A2017合金的熱物性參數(shù)，獲得了輥靴型腔和模腔內(nèi)合金溫度場(chǎng)和流場(chǎng)，揭示了工藝參數(shù)和模具設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的影響規(guī)律。模擬結(jié)果為優(yōu)化工藝參數(shù)、設(shè)計(jì)擴(kuò)展成形模具、控制產(chǎn)品組織等半固態(tài)金屬的連續(xù)制備與成形提供了

5、理論依據(jù)； (4)設(shè)計(jì)和建立了半固態(tài)連續(xù)擠壓擴(kuò)展成形機(jī)構(gòu)，通過(guò)對(duì)A2017合金半固態(tài)漿料的制備與連續(xù)擠壓擴(kuò)展成形扁型材和半固態(tài)圓棒坯實(shí)驗(yàn)，對(duì)擴(kuò)展成形工藝、模腔內(nèi)金屬流動(dòng)規(guī)律、擴(kuò)展成形模具的設(shè)計(jì)以及產(chǎn)品的組織性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，優(yōu)化了擴(kuò)展成形工藝。結(jié)果表明，熔體澆注溫度為780℃，模具擴(kuò)展角為45°，模具預(yù)熱溫度為450℃，采用半固態(tài)連續(xù)擠壓擴(kuò)展成形工藝，可制備表面質(zhì)量良好，內(nèi)部組織為細(xì)小均勻等軸晶的A2017合金扁型材和半固態(tài)圓

6、棒坯。同時(shí)，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，證明模擬結(jié)果合理； (5)對(duì)SCR技術(shù)流變鑄造A2017合金半固態(tài)錠坯和擠壓擴(kuò)展成形A2017合金半固態(tài)圓棒坯進(jìn)行二次加熱，揭示了坯料二次加熱過(guò)程中的組織演化規(guī)律。結(jié)果表明，兩種坯料在二次加熱過(guò)程中，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，晶粒逐漸長(zhǎng)大和球化，液相逐漸增加。625℃恒溫保溫60min，兩種坯料均可獲得由球形晶粒和液相組成的理想半固態(tài)組織，證明SCR技術(shù)制備的A2017合金流變鑄造半固態(tài)錠坯

7、和擠壓擴(kuò)展成形半固態(tài)圓棒坯均可適合作為觸變成形的半固態(tài)坯料； (6)采用Gleeble-1500熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)，對(duì)SCR技術(shù)流變鑄造A2017合金半固態(tài)錠坯進(jìn)行壓縮變形實(shí)驗(yàn)，對(duì)壓縮變形力學(xué)特性和變形機(jī)制進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，半固態(tài)合金錠坯的壓縮變形過(guò)程可分為三個(gè)階段，即彈性變形階段、穩(wěn)定流動(dòng)變形階段和固相偏聚變形階段。在穩(wěn)定的流動(dòng)變形階段，變形機(jī)制主要是液相流動(dòng)、阻尼液相流動(dòng)和固相顆粒的轉(zhuǎn)動(dòng)和滑動(dòng)機(jī)制組成，變形抗力小，并且變形

8、抗力隨著變形溫度的升高或者變形速率的下降而下降； (7)首次對(duì)半固態(tài)金屬的觸變軋制成形進(jìn)行研究，包括軋制成形工藝、軋材的組織和力學(xué)性能等。結(jié)果表明，A2017合金半固態(tài)坯料觸變軋制過(guò)程出現(xiàn)了固相與液相分離現(xiàn)象，球狀固相顆粒偏聚在板材心部，而液相偏聚在板材邊部。半固態(tài)坯料加熱溫度為625℃，軋制速度可達(dá)30r/s，一道次變形量可達(dá)80％，觸變軋制板材表面光亮平整，抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為336MPa和2.5％。板材經(jīng)冷軋變形后，抗拉