半固態(tài)鋁合金漿料制備過(guò)程的多尺度模擬及優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、半固態(tài)成形技術(shù)(Semi-Solid Metal Process,簡(jiǎn)稱SSM)以其高效、高性能、低成本、節(jié)能環(huán)保等突出特點(diǎn)受到人們的廣泛關(guān)注。金屬半固態(tài)成形技術(shù)的工藝路線包括流變成形與觸變成形,其中觸變成形的方法發(fā)展較為成熟,工業(yè)化程度高,而漿料制備是觸變成形的關(guān)鍵,近液相線鑄造技術(shù)是獲得半固態(tài)漿料的簡(jiǎn)單高效的方法之一。實(shí)際上,不是所有的合金都適于近液相線鑄造,而且不同工藝參數(shù)所得到的漿料的性能也不相同。為了獲得具有良好半固態(tài)成形性能和

2、使用性能的合金,人們需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)研究,浪費(fèi)了大量的人力物力,因此通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬進(jìn)行半固態(tài)合金設(shè)計(jì)就成為目前人們關(guān)注的課題。本文在國(guó)家自然科學(xué)基金的資助下,對(duì)半固態(tài)鋁合金的漿料制備過(guò)程進(jìn)行了多尺度模擬及優(yōu)化設(shè)計(jì),提出了用多尺度模擬進(jìn)行半固態(tài)合金設(shè)計(jì)及制備工藝優(yōu)化的方法。
　　 本文針對(duì)半連續(xù)鑄造過(guò)程的特點(diǎn),建立了描述金屬凝固過(guò)程的傳熱、傳質(zhì)以及液固相變的形核與長(zhǎng)大模型。通過(guò)固相率變化將介觀尺度和宏觀尺度計(jì)算進(jìn)行耦合,實(shí)現(xiàn)合金

3、凝固組織演變的多尺度模擬,并對(duì)ZL201合金和A356合金的微觀組織進(jìn)行了多尺度模擬,模擬所得晶粒大小和晶粒形貌與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合,說(shuō)明本文所建立的模型是正確的。
　　 對(duì)ZL201合金的半連續(xù)鑄造過(guò)程的溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬,得到了不同的澆注溫度、鑄造速度、冷卻強(qiáng)度下的溫度場(chǎng)。對(duì)鑄造速度為2.0mm/s、冷卻水的換熱系數(shù)為1000W/(m2·K)、澆注溫度為922K條件下ZL201合金的微觀組織演變過(guò)程進(jìn)行了模擬,得到了晶粒的長(zhǎng)大方式和

4、長(zhǎng)大過(guò)程、晶粒周圍的溶質(zhì)濃度變化規(guī)律,模擬結(jié)果與Dustin-Kurz、Rappaz-Thevoz和Kanetkar-Stefanescu模型吻合。
　　 對(duì)鑄造速度為2.0mm/s、冷卻水的換熱系數(shù)為1000 W/(m2·K)、澆注溫度高于液相線5K條件下Al-7wt％Si、Al-10wt％Si合金相的演變過(guò)程進(jìn)行了模擬。初始階段,結(jié)晶核心呈枝晶形狀生長(zhǎng),并不斷向液相排出溶質(zhì),導(dǎo)致枝晶邊界的溶質(zhì)濃度較高。隨著溫度的降低,枝晶邊

5、界形成共晶組織,Al-7wt％Si合金的共晶組織呈彌散分布；Al-10wt％Si合金的共晶組織沿著晶界連續(xù)分布,同時(shí)晶界內(nèi)也存在大量灰色的共晶相；Al-10wt％Si合金中的共晶組織比Al-7wt％Si的共晶組織多。目前,在半固態(tài)成形研究領(lǐng)域尚未見(jiàn)到有關(guān)合金相演變過(guò)程多尺度模擬的文獻(xiàn)報(bào)道。
　　 本文提出了一個(gè)半固態(tài)合金組織評(píng)價(jià)的量化標(biāo)準(zhǔn),為半固態(tài)合金設(shè)計(jì)及其制備工藝優(yōu)化提供了參考依據(jù)。對(duì)不同合金成分的鋁銅合金在不同的鑄造速度、

6、澆注溫度、冷卻水的換熱系數(shù)條件下的微觀組織進(jìn)行了模擬,將得到的11組平均晶粒尺寸、平均晶粒圓度模擬結(jié)果用本文所提出的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了衡量,得到了適合半固態(tài)加工的最佳合盒成分及其成形工藝條件:合金成分為Al-8wt％Cu、澆注溫度為922K、冷卻水換熱系數(shù)為1000W/(m2·K)、鑄造速度為2.0mm/s。對(duì)不同合金成分的鋁硅合金在不同的鑄造速度、澆注溫度、冷卻水的換熱系數(shù)條件下的微觀組織進(jìn)行了模擬,將得到的6組平均晶粒尺寸、平均晶粒圓度模擬