非树枝晶铝合金材料的研究

【摘要】：半固态金属成形技术与传统的固态成形和液态成形相比具有显著的优点。因此，被称为21世纪新一代的金属成形制造技术。特别是铝合金半固态成形技术为汽车工业、航空工业所急需，而铝合金的半固态成形技术的前提是制备非树枝晶的半固态料坯。 本文在概述了半固态成形技术的发展和研究成果的基础上，跟踪半固态成形技术的发展方向，针对我国在此领域的研究现状，结合已有的基础，在电磁搅拌对非树枝晶组织演变的影响及其作用机理、非树枝晶组织合金铸坯的制备技术、热处理制度对合金组织性能的影响三个层面开展了研究。 本文应用模化法原理对特定磁场作用下金属液质点的运动进行了水模拟研究，直接观察了磁场作用下模拟介质的流态。讨论了电磁搅拌对金属液流动、过冷度和熔体热流的影响。研究表明：增大电磁场强度，即电磁搅拌强度越大，将使金属液流动越强烈、熔体热交换能力越强，越有利于合金组织以等轴晶生长方式生长。电磁搅拌对过冷度的影响表现为：金属液过冷度的减小与感生电流的平方成正比，磁场强度对合金组织的影响具有双重作用。增大电磁搅拌磁场强度，能增大搅拌力，强化对流，细化晶粒；但同时也会增大凝固体系内的热效应，减小过冷度，可能造成晶粒粗化。 本研究再次证实：在电磁搅拌连续冷却条件下，随着搅拌强度的提高、搅拌时间的延长和冷却速度的减小，一次固相形 、\ 2000年上海大学博七学位论文 态沿着初生晶碎片*枝晶长大叶玫瑰花状‘成熟玫瑰花状*近 球状或椭球状的轨迹演变;伴随着电磁搅拌作用在凝固过程中 发生晶粒倍增、初生相簇集和初生相包裹共晶组织的现象。本 文提出了形成非树枝晶组织的混合作用机制，认为:在电磁搅 拌作用下，合金在凝固过程中将发生枝晶的颈缩重熔、枝晶弯 曲合并生长以及强烈对流等轴生长，在这三种机制的共同作用 一F，凝固体系中最终形成非树枝晶组织。 在上述研究的基础上，着眼于半固态成形技术在我国的推 广，着眼于制备相对廉价的半固态料坯，本文采用水平半连续铸 造结合电磁搅拌(DC一EMS)方法，在自行设计、制造的相关设备 上，制备非树枝晶组织铝合金铸坯取得了成功。分别研究了浇注 温度、拉坯速度、冷却速度等工艺参数对合金组织的影响，结果 显示:在本实验条件下，浇注温度以650荀70’℃为宜;拉坯速 度以8.4一9.6 cm/min为宜;二次水冷流量控制在1.0一2.0比为宜。 综合考虑磁场强度B和冷却速度(拉坯速度V)对非树枝晶组织 初生相平均尺寸D和形状因子S影响的数学表达式为: D=A(F+kB)一n s二;。加(上十kB)十而 厂 当结晶器内磁场强度为0.08司.09T时，在固液两相区合金的 冷却速度在0.3℃/s左右时能得到比较理想的铝合金非树枝晶 组织。 在优化OC一EMS法工艺参数的基础上，形成了较完整的 工艺技术，研制出尺寸为小80\3000mm的具有非树枝晶组织 的ZLI 01A连铸坯，其铸态力学性能为:巩二250.8 MPa， 占=巧.8%。较同等条件下无EMS得到的连铸坯铸态的力学 性能(饥二234.6MPa，咨=14.2%)有了一定的提高。其原因是电磁 非树枝晶铝合金材料的研究 搅拌使合金的组织均匀性、化学成分均匀性和物理均匀性都得 到了提高。 本文运用DSC、EPMA等方法分析了树枝晶和1卜树枝晶 两种组织热处理后的差异，制定厂合理的热处理制度，并讨论 了合适的热处理制度提高材料性能的主要原因。研究表明:合 适的热处理制度能显著提高非树枝晶合金的力学性能。经540 ℃、8l’固溶处理，淬人60℃水中，然后进行170℃、8h时效 处理后，其力学性能:。。= 315.OMPa，占=16.4%;较经过相同 热处理的树枝晶ZLI olA的力学性能在保持良好强度的同时， 塑性得到显著提高。强塑积提高43.3~6 2.9%。质量因子Q值 最高达508.5，比树枝晶组织合金的最佳值465.1提高9%，超 过了文献报导的最佳值。 非树枝晶组织合金较树枝晶组织热处理态力学性能有明显 提高的主要原因是:电磁搅拌使更多的Mg溶人a(Al)中，成 分偏析少;经时效强化后，析出相更多、分布更均匀;析出相 的体积分数和粒子尺寸的匹配较理想，使时效硬化的效果得到 了充分发挥. 此外，本文发现采用Al一Si纳米晶作为形核剂处理铝合金 熔体能够得到其非树枝晶组织。虽然对纳米晶促变形核影响非 树枝晶组织的机理及该组织的性能等问题尚待进一步研究，但 应用A卜si纳米晶制备非树枝晶组织不存在细化中毒现象，并 且能细化共晶组织，有望成为一种细化组织及制备非树枝晶组 织合金的新方法。