振动压力下铝(镁)合金消失模铸造组织性能研究

摘要

消失模铸造（Lost Foam Casting, 简称LFC）具有其独特的优点，被认为是“21世纪的铸造新技术”及“铸造中的绿色工程”。近年来，铝（镁）合金消失模铸造技术得到了快速发展，显示出了强大的生命力，具有广泛的应用前景。然而，制约铝（镁）合金消失模铸造技术发展的主要瓶颈有充型能力较差，组织晶粒粗大，针孔、缩孔或疏松等缺陷较严重，导致铸件的力学性能偏低。本文从研究振动场、压力场对铝（镁）合金消失模铸造组织和性能的影响入手，以改善铝（镁）合金消失模铸件组织和性能为目的，系统地研究了机械振动场和压力场作用下铝（镁）合金消失模成形理论及工艺，开发了振动场和压力场复合作用下铝（镁）合金消失模铸造新技术，并通过合金化、热处理等方法强化铸件力学性能，形成了特种消失模铸造生产高强度铝（镁）合金铸件的新方法，针对典型零件，确定了最佳工艺参数。
　　 研究了A356和AZ91D合金消失模铸造机械振动凝固工艺。研究结果表明：对中小复杂铸件，浇注温度在730～760℃时，采用频率30～60Hz、振幅0.11～0.45mm、峰值加速度1～4g（g=9.8m/s2）的垂直振动，对其组织细化、性能改善、流动性提高等效果明显。A356和AZ91D合金消失模铸造振动凝固铸态最大抗拉强度达到182MPa和165MPa，比普通消失模铸造的分别提高了25％和22％。但峰值加速度大于4g的强振动，容易导致铸件变形、粘砂、气孔、夹杂等缺陷，降低了铸件力学性能。
　　 通过对铝（镁）合金消失模铸造振动凝固的理论分析，建立了振动峰值加速度与真空负压之关系式，表明真空度是保证振动稳定性的关键因素。建立了振动破碎枝晶的力学模型，模型表明振动峰值加速度越大，枝晶所受应力越大，则枝晶更容易被折断。建立了机械振动影响消失模铸造铝（镁）合金充型能力的数学模型，模型表明峰值加速度和振幅增加，合金充型能力增强。
　　 研究了A356和AZ91D合金消失模铸造压力凝固工艺。结果表明：对中小复杂铸件，如果浇注温度取730～760℃，压力值大于0.5MPa，加压速率为0.003～0.03MPa/s，加压开始于凝固初期（即固相率小于20％），保压时间大于10min，则铸件综合性能较好。A356和AZ91D合金消失模铸造压力凝固铸态最大抗拉强度达到185MPa和174MPa，比普通消失模铸造的分别提高了27％和29％。
　　 通过对铝（镁）合金消失模铸造压力凝固的理论分析，建立了枝晶间缩松补缩最小外加压力的数学模型，模型表明在凝固时间较短的凝固初期，所需压力值较小。建立了消失模铸造压力凝固铸件表面凹陷的数学模型，表明凹陷量与铸件的厚度成正比。铝合金消失模铸件针孔主要由析出性氢孔和缩孔合成，在压力凝固下针孔基本消失。
　　 研究了振动-压力复合凝固的铝（镁）合金消失模铸造新工艺，成形了小型复杂薄壁铸件。研究结果表明：消失模振动-压力复合凝固铸件的浇不足、针孔、缩孔及疏松等缺陷得到改善，组织晶粒得到细化。通过充型与凝固模拟软件对缺陷进行初步预测，并改进浇注系统和增设冒口加以有效防范，达到了改善铸件综合性能的目的，验证了消失模铸造振动压力复合凝固工艺的可行性。
　　 研究了振动-压力复合凝固的铝（镁）合金消失模铸件的热处理工艺。结果表明：A356铝合金消失模振动压力凝固铸件T4抗拉强度达到272MPa，断后伸长率6.5％。0.6％Mg改性的A356合金消失模振动压力凝固铸件T6抗拉强度301MPa，断后伸长率2.6％。0.5％Y改性的AZ91D镁合金消失模振动压力凝固试样T4和T6抗拉强度分别为236MPa和252MPa，断后伸长率分别为5.1％和2.1％。
　　 研究了铝（镁）合金消失模振动凝固组织半固态等温热处理。结果表明：A356铝合金在580℃保温60min，AZ91D+0.5％Y改性镁合金在570℃保温60min，α晶粒显著球化，其尺寸和圆度达到半固态组织要求。当消失模铸造A356铝合金采用550℃保温时间2～6h，以及消失模铸造AZ91D+0.5％Y改性镁合金采用430℃保温10～16h的近半固态热处理后，其抗拉强度分别达到261MPa和232MPa。
　　 研究了0.3％富Ce稀土对消失模铸造A356铝合金的影响。研究结果表明：稀土RE能够有效的变质细化共晶硅，减少铸件针孔，提高铸件力学性能。通过对0.6％Mg和0.3％Y改性A356铝合金消失模振动压力凝固组织性能的研究。结果表明：改性合金中的颗粒相Al3Y对基体起钉扎作用，阻碍了变形时位错的通过，起强化作用，使改性A356铝合金铸态和T6性能显著提高，抗拉强度分别达到171MPa和308MPa。研究了0.5％Y和0.9％Gd改性消失模铸造AZ91D镁合金。结果表明：稀土Gd、Y元素对α-Mg晶粒有细化作用，促使β-Mg17Al12相由连续网状结构转变为断续状和颗粒状结构。生成的Al2Y相和Al2Gd相对晶界具有钉扎作用，防止晶界滑移，增强了合金强度，其铸态抗拉强度比未改性时提高了29％。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪 论

2 机械振动对铝（镁）合金消失模铸造组织性能影响

3 压力对铝（镁）合金消失模铸造组织性能影响

4 消失模铸造振动压力复合凝固工艺研究

5 合金化对消失模铸造铝（镁）合金组织性能改善研究

6 消失模铸造铝（镁）合金的半固态热处理研究

7 主要结论与发展方向

致 谢

参考文献

附录 攻读博士学位期间已发表的论文