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《北京有色金属研究总院》 2010年
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AZ91D镁合金高剪切流变成形理论与工艺研究

朱光磊  
【摘要】:常规铸造镁合金存在晶粒组织及析出相比较粗大且分布不均衡,难以满足高性能结构材料的需求,没有充分发挥镁合金材料的潜在优势和特点。本文选择AZ91D镁合金为研究对象,将新型高剪切工艺引入浆料制备过程中,实现对材料制备及加工过程的精确控制,从而有效改善材料的组织和性能。利用双螺旋高剪切技术,研究高剪切作用下AZ91D镁合金形核、长大机理,为镁合金流变成形高性能零部件提供理论依据。主要研究内容和结果如下: 利用高剪切技术成功制备了AZ91D镁合金半固态浆料,与低剪切技术相比,晶粒组织呈现出更加圆整、细小、分布均匀的特征。试验考察了AZ91D镁合金在高剪切作用下晶粒组织的演变过程,研究表明:剪切温度、搅拌转速、剪切时间共同决定了晶粒组织形成规律,在熔体温度、剪切时间一定的条件下,高剪切有利于晶粒的细化和球化。 基于高剪切能细化和球化晶粒的试验结果,开展了高剪切作用下熔体温度及边界层浓度分布规律的理论研究。通过流体动力学和热力学计算,研究了高剪切对熔体剪切速率、流场及温度场的影响,结果表明:在高剪切作用下,合金熔体温度场趋于均匀,剪切强度愈大,温度场愈加均匀,愈有利于熔体整体形核。 在侧向层流(the lateral flow considering)模型的基础上,提出了高剪切作用下界面浓度和有效分配系数的模型,选用界面前沿浓度、界面浓度和有效分配系数作为研究对象,研究了AZ91D镁合金高剪切作用下边界层浓度分布规律。研究表明:高剪切作用下界面前沿浓度趋于均匀,减小了成分过冷,增加了界面的稳定性,有利于合金组织以球晶方式生长。 根据试验结果和高剪切作用下熔体温度及边界层浓度分布规律,对高剪切作用下AZ91D镁合金熔体的形核与晶粒生长进行了分析。发现在高剪切作用下,合金熔体温度均匀降低到足以形核的过冷度时,会发生同时形核,从而获得高密度晶核;在晶粒生长过程中,晶粒处在一个相对均匀的温度场、浓度场环境中,有利于晶粒以球晶方式均匀地长大,能有效抑制非枝晶生长,形成均匀、细小的球晶组织。 在晶粒组织生长方面,研究了高剪切作用下晶粒组织演变过程的数学描述,将凝固速度与搅拌转速作为晶粒组织演变过程的主要因素,建立了晶粒组织形态参数与凝固速度和搅拌转速关系的数学模型。分析了高剪切作用下单个球晶的稳定性,发现高剪切使得单个球晶的相对稳定性得到显著提高。 在上述研究的基础上,研究了AZ91D镁合金高剪切流变压铸工艺,优化了高剪切流变压铸工艺参数,得到了性能良好的流变压铸镁合金零部件。与普通压铸相比,高剪切流变压铸对晶粒细化效果明显,并且有效地提高了AZ91D镁合金的抗拉强度、延伸率、致密性和组织均匀性。最后针对高剪切流变压铸零部件进行热处理组织与性能的研究。
【学位授予单位】:北京有色金属研究总院
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TG146.22

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【引证文献】
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