半固态合金的VWSP制备方法及其触变成形

【摘要】：针对半固态成形技术研究现状及发展趋势,本文提出一种半固态合金的制备新方法(Vibrating Wavelike Sloping Plate Process—VWSP法),开发了相应的波浪型倾斜板振动技术。结合国家自然科学基金项目任务书,以Al-6Si-2Mg合金为研究对象,对合金在波浪型倾斜板振动作用下的动态凝固行为及其组织形成机理进行了研究,研究了工艺条件对半固态合金组织的影响规律,优化了工艺参数,对波浪型倾斜板振动法制备的半固态坯料的二次加热与触变模锻成形进行了实验研究。获得的主要工作进展如下： (1)利用自行设计的波浪型倾斜板振动装置,成功制备出半固态合金材料。将熔化的合金浇注到具有波浪型表面的倾斜板上,在金属流动过程中同时对倾斜板施加振动,通过流动与振动的混合作用,使金属发生动态形核长大,最终得到了球化率较高、组织均匀细小的半固态材料。 (2)通过数值模拟与实验,得到了倾斜板长度为400mm,倾角为45°条件下,合金在倾斜板表面的温度场分布。在不同浇注温度条件下熔体从入口到出口的温降差在66℃～77℃之间,合金熔体在底部温降最快,在侧面温降次之,在上表面温降较慢,在宽度方向对称面上温降最慢。振动的波浪型倾斜板比非振动的平直的倾斜板更容易使熔体温度场保持均匀分布。 (3)分析了波浪型倾斜板表面合金凝固过程中的传热与溶质分布规律。合金在斜板表面的温度从浇注入口到出口逐渐降低。由于流动与振动作用,熔体中溶质的扩散能力加强,使得熔体在斜板表面各个部位的成分均匀分布,这为球形晶的形成创造了条件。 (4)揭示了波浪型倾斜板振动作用下合金熔体的动态凝固过程组织形成机理。存在三种形核机制：倾斜板大面积表面上的异质形核、均匀成分场内部熔体整体爆发形核流动与振动共同作用下晶核从倾斜板表面的游离,即晶核增殖。晶粒长大存在两种机制：直接球状长大；界面失稳后的枝晶长大,并不断破碎和球化。 (5)发现了工艺参数对合金凝固组织的影响规律和制备Al-6Si-2Mg合金半固态坯料最佳工艺参数范围,即倾斜板长度为400mm,倾角为45°左右,浇注温度为660-690℃,振动频率为50～60Hz,采用正弦波形的倾斜板表面。 (6)揭示了半固态合金二次加热组织演化规律,优化了二次加热工艺条件。为制备理想的半固态金属浆料,二次加热最优工艺条件为：保温温度为610℃,保温时间为60min。 (7)对波浪型倾斜板振动法制备的半固态合金锭坯的变形力学特性和变形机制进行研究,获得了Al-6Si-2Mg合金半固态本构模型。半固态合金锭坯的压缩过程可分为弹性变形阶段和稳定流动变形阶段。其本构关系方程为： (8)对Al-6Si-2Mg合金半固态坯料实施触变锻造成形,触变性能优良,所得制品外观形状完整,无表面缺陷,制品尺寸符合要求,T6热处理后制品的维氏硬度达到100HV,在同等热处理条件下,比传统的A356压铸件硬度提高30%以上。