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振动制备Al-Si合金半固态浆料及其组织与性能的研究

赵君文  
【摘要】: 金属半固态成形技术被认为是二十一世纪最具发展前途的成形技术之一,直接将半固态浆料压铸或挤压的流变成形工艺节约能源、生产成本低,近年来成为该领域的研究热点。作为流变成形中最关键的环节——半固态浆料的制备也倍受关注并得到广泛研究。本文在对国内外关于半固态浆料制备研究现状及发展进行综述的基础上,系统地论述了作者采用振动法制备Al-Si合金半固态浆料的工艺和理论的研究成果。 研究开发出了低频机械振动制备金属半固态浆料的技术及相应的制浆设备,研究了机械振动制浆工艺、作用机理和效果。探讨了低频机械振动下振动频率、振动时间和浇注温度等因素对ZL101亚共晶Al-Si合金初生固相形态的影响,得出低频机械振动能制备出初生晶粒平均直径为85μm、平均形状系数为0.61的ZL101铝合金半固态浆料。ZL101亚共晶Al-Si合金半固态流变压铸件的组织与液态压铸件微观组织相比有很大差别,前者存在初生非枝晶α-Al相及二次凝固的α-Al相。ZL101铝合金最佳力学性能流变压铸件的机械振动制浆工艺为:振动频率41.7Hz左右,制浆温度605℃左右,振动时间3-5min。ZL101铝合金半固态流变压铸件与液态压铸件相比,抗拉强度和伸长率分别提高了6%、11%。 研究开发出了高能超声振动制备金属半固态浆料的技术及相应的制浆设备,并重点研究了超声波制备半固态浆料的机理。探明了超声导入温度、作用时间和作用后保温时间等参数对ZL101亚共晶Al-Si合金半固态浆料初生固相的影响。液相线温度附近导入超声振动可以保持初生晶粒非枝晶生长;生成0.1的固相率后导入超声,120s的超声作用亦可得到非枝晶组织;固相率更高后,最终组织为非枝晶和枝晶混合组织。振动144s即可使α-Al晶粒平均直径在90μm左右,平均形状系数在0.5以上。随着超声工作振动空振比的减小,初生α-Al晶粒更加细小圆整。 系统地研究了浇注温度、样杯预热温度和超声振动功率等参数对A390过共晶Al-Si合金初生Si相的影响。A390过共晶Al-Si合金超声振动后初晶Si可细化到20μm左右。浆料受超声振动后保温,初生Si晶粒以8μm/min的平均速度快速长大,而超声振动下初生Si以不到2.5μm/min的速度缓慢长大,平均形状系数保持在0.5-0.6。适当的间歇振动比连续振动使初生Si晶粒细化的效果更优。超声振动下加变质剂对初生晶粒的影响不大。超声振动制备A390浆料的最佳工艺参数为:浇注温度685℃左右,超声作用时间为60-120s。超声对共晶Si有间接细化作用。超声不改变合金中相的组成,但影响相的相对含量。 探讨了A390过共晶Al-Si合金制浆工艺条件对相应流变压铸件性能的影响。A390浆料适宜的压铸成形温度范围为600-620℃。浆料成形温度对流变成形试样密度有显著影响,存在密度突变。试样抗拉强度随Si晶粒平均直径增加呈线性降低。流变压铸试样与液态压铸试样相比:抗拉强度增加了25.2%,硬度增加了48.9%;前者组织中金属间化合物减少,不互相连接;流变压铸试样热处理后性能大幅度增加,P变质对A390流变压铸试样性能影响不大,流变压铸试样韧性增加,摩擦系数和磨损率减小。 分析了熔体中超声空化和声流的形成、大小和范围,探讨了声空化和声流在熔体形核和晶粒生长过程中的作用,阐明了超声作用下初生晶粒非枝晶形成机理,建立了超声场中低固相率时枝晶浸润脱落模型。铝熔体中难润湿杂质颗粒提供超声空化核心,超声空化阀值随空化核的减小而增大。超声空化泡破裂时产生10~9pa的巨大压力。通过数值模拟发现超声振动头端部下方的超声空化区域为近半球形。超声声流大小与熔体粘度及超声功率有关,在接近液相线温度的铝合金熔体中声流速度可达1.37m/s。超声空化产生的巨大空化压力提高熔体微区的凝固温度,从而促进形核。空化泡的膨胀导致其表面的过冷很小,不大可能促进熔体形核。超声波通过空化闭合时产生的射流和压力波使生成的枝晶弯曲并对枝晶臂根部进行毛细浸渗最终使其脱落,超声空化和声流同时作用阻碍晶粒生长并均化组织。


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