超聲場對(duì)高強(qiáng)鋁合金凝固過程的影響規(guī)律與作用機(jī)理研究.pdf

1、大規(guī)格鋁合金鑄錠成形成性困難是發(fā)展我國航空航天和武器裝備用大型整體結(jié)構(gòu)件所面臨的技術(shù)瓶頸。對(duì)鋁合金凝固過程施加超聲波擾動(dòng)是改善鑄造缺陷、提高鑄錠品質(zhì)、提升材料性能的一個(gè)新的工藝途徑。全面理解與系統(tǒng)掌握超聲場對(duì)鋁合金凝固過程的影響規(guī)律與作用機(jī)理是實(shí)現(xiàn)這一工藝的關(guān)鍵。然而，現(xiàn)有關(guān)于超聲波處理熔體技術(shù)的研究大多以經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)象描述為主，缺乏定量的表征與本質(zhì)的揭示。針對(duì)于此，本論文以航空航天用高強(qiáng)高韌7XXX系鋁合金為研究對(duì)象，通過實(shí)驗(yàn)測試、理論推

2、導(dǎo)、數(shù)值模擬等方法，對(duì)超聲場作用下鋁合金熔體的凝固行為及其產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行了深入探討。論文的主要研究內(nèi)容與結(jié)論如下:
　　1)進(jìn)行了一系列鋁合金熔體凝固傳熱分析實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明:施加超聲場可以改善溫度場分布的均勻性，并且能夠明顯加快熔體的整體凝固進(jìn)程，尤其是顯著提高固-液相區(qū)熔體冷卻速率，使其相應(yīng)的冷卻時(shí)間縮短約2/3。而另一方面，超聲輻射桿本身對(duì)鋁合金熔體傳熱的影響非常微小，可以忽略不計(jì)。
　　2)研究了不同工藝處理?xiàng)l件對(duì)鋁合金

3、凝固組織的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)證明超聲波對(duì)鑄錠的細(xì)晶效果并非輻射桿端面的激冷形核所致，也與從輻射桿中分離出來的鈦元素?zé)o關(guān)，而是主要?dú)w功于超聲空化促成的形核增殖與諧振效應(yīng)抑制了晶體生長。
　　3)在歸結(jié)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，分別建立了壓力過冷模型、毛細(xì)浸潤模型與初生晶體諧振模型。通過計(jì)算與分析，全面揭示了超聲場對(duì)鋁合金熔體凝固過程不同階段的主導(dǎo)作用機(jī)理。在結(jié)晶溫度區(qū)段，超聲主要通過空化效應(yīng)，以壓力過冷、異質(zhì)活化促進(jìn)熔體形核的方式，提高形核率，

4、實(shí)現(xiàn)鑄錠晶粒的細(xì)化;在固-;相共存溫度區(qū)段，超聲主要通過諧振效應(yīng)，以晶體振幅增大、界面自由能級(jí)提高至相變驅(qū)動(dòng)力減小的方式，控制晶體生長速度，實(shí)現(xiàn)鑄錠晶粒的細(xì)化。通過進(jìn)一步的計(jì)算發(fā)現(xiàn)鋁合金熔體凝固體系中最易出現(xiàn)諧振的晶粒為1～10μm的初生晶體。
　　4)開展了大規(guī)格7050鋁合金鑄錠的超聲波外場輔助鑄造工業(yè)實(shí)驗(yàn)，鑄錠的規(guī)格分別達(dá)到了Φ550mm與1320mm×500mm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:多源超聲場的協(xié)同作用可以促使鑄錠全斷面獲得均勻

5、的細(xì)化效果，晶粒度分別為1級(jí)（圓錠）和2級(jí)（扁錠），并且能夠顯著改善溶質(zhì)元素的晶界偏析與宏觀偏析，使其相對(duì)固溶率至少提高20％以上，同時(shí)還能提高鑄錠的成品率與機(jī)械性能的均勻性。
　　5)針對(duì)1320×500mm規(guī)格鋁合金扁錠超聲波半連鑄工藝，以添加源項(xiàng)的方式，建立了聲-流-熱耦合的三維數(shù)值模型。通過Fluent軟件與二次開發(fā)的子程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋁合金半連鑄多源超聲作用下的多物理場耦合過程模擬，獲得了不同超聲頻率和振幅對(duì)宏觀聲場、流場與