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《大连理工大学》 2008年
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冷却斜槽法制备均质铝基难混溶合金

宋涛  
【摘要】: 难混溶合金(偏晶合金)在工程上有着广泛的应用,是一种重要的金属材料,然而在常规凝固条件下,合金组元间的混溶却是十分困难的,故称之为难混溶合金。难混溶合金的一个明显标志是二元相图中存在一弓形液相不混溶区,当凝固通过该区时,密度不同的两液相将迅速分离,最终形成严重宏观偏析或组元分层的凝固组织,因此,采用常规的地面凝固技术难以制备出任何有工业价值的偏晶合金。 本文在自制的熔炼炉及冷却斜槽上开展了对铝基难混溶合金的研究,提出了一种新的难混溶合金制备工艺。通过分析难混溶合金的相图以及大量的工艺试验,制定了在互溶点以上20℃保温30分钟的金属熔炼工艺。改变浇铸位置及斜槽角度,最终确立700mm浇铸位置及斜槽角度为45°为最优铸造参数。先后尝试利用速冷法及压铸法对所得浆料进行快速成型,均得到了较为弥散分布的铝基难混溶合金。 本文在对Al-Bi合金的研究中,探讨了析出的金属Bi液滴随Al合金金属熔体在斜槽上流动时所受力情况,结果表明,作用于Bi液滴上的Marangoni力、熔体粘滞力及熔体冲刷的力与重力相互作用并相互减弱抵消,大大降低了Bi液滴的Stokes沉积和Marangoni迁移运动,使难混溶合金熔体在斜槽上不发生严重的宏观偏析。并且利用ANSYS~(TM)模拟分析了熔体从斜槽流过时的温度分布,结果显示熔体温度大为降低,很大程度降低了后续快速成型设备的冷却压力。 作为前期工作,本文制作了低熔点Sn-20wt%Bi二元合金同步辐射成像样品及加热设备,在北京同步辐射装置BSRF形貌站成功观察到较为清晰的晶粒生长图像,为今后利用同步辐射光源研究Al-Bi难混溶合金凝固过程提供了经验。
【关键词】:难混溶合金 均质制备 重力偏析 冷却斜槽 同步辐射成像
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:TG146.21
【目录】:
  • 摘要4-5
  • Abstract5-9
  • 1 前言9-26
  • 1.1 难混溶合金凝固特点9-14
  • 1.1.1 第二相沉积10-11
  • 1.1.2 碰撞、聚集和凝并11-13
  • 1.1.3 运动碰撞13-14
  • 1.2 均质难混溶合金制备技术研究进展14-23
  • 1.2.1 均质难混溶合金的传统制备技术14-19
  • 1.2.2 新兴的制造难混溶合金方法19-22
  • 1.2.3 对已有均质难混溶合金的制备方法总结22-23
  • 1.3 难混溶合金凝固过程的计算机模拟23-25
  • 1.3.1 密度动态法23-24
  • 1.3.2 分离粒子法24-25
  • 1.4 本文的主要任务25-26
  • 2 冷却斜槽—速冷法制备均质铝基难混溶合金26-42
  • 2.1 引言26-27
  • 2.2 实验方法27
  • 2.3 实验结果27-30
  • 2.4 分析与讨论30-35
  • 2.4.1 Bi液滴未沉积到斜槽前受力分析30-33
  • 2.4.2 Bi液滴沉积到斜槽后受力分析33
  • 2.4.3 金属液流入铸型后的温度变化33-34
  • 2.4.4 铸件中第二相尺寸差异34
  • 2.4.5 实验结论34-35
  • 2.5 斜槽流场温度场耦合数值模拟35-39
  • 2.5.1 基本假设35
  • 2.5.2 基本方程35-36
  • 2.5.3 边界条件36-39
  • 2.6 冷却斜槽—速冷法制备均质Al-Pb难混溶合金39-41
  • 2.6.1 实验方法39-40
  • 2.6.2 实验结果40-41
  • 2.6.3 分析与讨论41
  • 2.7 小结41-42
  • 3 冷却斜槽—压铸法制备铝基均质难混溶合金42-49
  • 3.1 压铸简介42
  • 3.2 对压铸Al-Bi难混溶合金制件的工艺控制42-47
  • 3.2.1 对原料的选用43-44
  • 3.2.2 模具设计制造对制件质量的影响44-46
  • 3.2.3 模具温度的控制46-47
  • 3.3 实验设备及方法47
  • 3.4 实验结果及分析47-48
  • 3.5 小结48-49
  • 4 同步辐射光源实时成像技术研究难混溶合金凝固理论49-57
  • 4.1 引言49-50
  • 4.2 同步辐射光源观测难混溶合金凝固过程50-51
  • 4.3 Sn-20wt%Bi二元合金枝晶生长同步辐射成像研究51-55
  • 4.3.1 实验装置及样品52-53
  • 4.3.2 实验结果及讨论53-55
  • 4.3.3 实验结论55
  • 4.4 对Al-Bi(Pb)合金样品制备及加热设备的初步设计55-57
  • 5 结论57-58
  • 参考文献58-62
  • 攻读硕士学位期间发表学术论文情况62-63
  • 致谢63-64

【参考文献】
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