7000系铝合金流变挤压铸造工艺及数值模拟研究

【摘要】：随着现代社会的发展,环境与能源的矛盾问题越来越引起了人们的广泛关注。对于交通运载工具来说,节能、环保就摆在突出的位置上,实现节能降耗的重要手段之一是实现构件的轻量化。特别对于国防军工行业,在不影响强度等性能的条件下,降低构件的重量,可以大幅提高武器装备的承载能力和机动性,轻量化的重要性更是不言而喻。铝合金中7000系合金具有最高的强度,是最接近钢铁强度的铝合金,被认为实现以铝代钢的首选材料。但是7000系铝合金是变形铝合金,需要通过熔炼、铸坯、热加工、机加等工序才能完成构件的制造,并达到所需的使用性能。这样的工艺过程流程长,不仅成本高,生产效率低,材料利用率也低,而且能源消耗高,在一定程度上限制着该合金的推广应用。 开发短流程、近终成形的7000系铝合金流变挤压铸造新技术正成为金属凝固成型领域的研究重点。但是由于7000系高强铝合金合金化程度比较高,而且合金元素之间的比重差别比较大,铸造过程极易产生组织与成份不均匀、热裂等冶金缺陷,采用普通铸造工艺很难直接成形质量良好的构件,因此,如何实现7000系铝合金流变成型过程对凝固缺陷的精确控制将至关重要。 本论文基于课题组开发的环缝式电磁搅拌熔体处理技术,建立了7000系高强铝合金流变挤压铸造的计算模型,采用数值模拟和实验相结合的方法,研究了7000系高强铝合金流变挤压铸造工艺,优化了工艺参数,并且该项技术在大尺寸高性能铝合金铸件上获得了初步应用,具体研究结果如下：(1)针对流变挤压铸造数值模拟对现有的模型进行对比选择和优化,并基于ProCAST软件自带的材料计算模块,结合实验,得出符合7000系铝合金流变挤压铸造数值模拟的参数；(2)利用自行设计的壳体缩比件,揭示出流变挤压铸造工艺对铸造缺陷的影响规律,通过正交实验方案研究,获得最佳流变挤压铸造工艺参数：环缝式电磁搅拌10A电流,搅拌终止温度670-660℃,挤压铸造开始时熔体温度660℃,挤压铸造比压100MPa,模具温度200℃,挤压速度为0.1m/s；(3)基于高强铝合金均匀化熔体处理及流变挤压铸造理论基础,对20kg以上的大尺寸高强铝合金壳体铸件进行应用研究,收到良好的应用效果。