超声场对高强铝合金凝固过程的影响规律与作用机理研究

摘要

大规格铝合金铸锭成形成性困难是发展我国航空航天和武器装备用大型整体结构件所面临的技术瓶颈。对铝合金凝固过程施加超声波扰动是改善铸造缺陷、提高铸锭品质、提升材料性能的一个新的工艺途径。全面理解与系统掌握超声场对铝合金凝固过程的影响规律与作用机理是实现这一工艺的关键。然而，现有关于超声波处理熔体技术的研究大多以经验和现象描述为主，缺乏定量的表征与本质的揭示。针对于此，本论文以航空航天用高强高韧7XXX系铝合金为研究对象，通过实验测试、理论推导、数值模拟等方法，对超声场作用下铝合金熔体的凝固行为及其产生机制进行了深入探讨。论文的主要研究内容与结论如下:
　　1)进行了一系列铝合金熔体凝固传热分析实验。结果表明:施加超声场可以改善温度场分布的均匀性，并且能够明显加快熔体的整体凝固进程，尤其是显著提高固-液相区熔体冷却速率，使其相应的冷却时间缩短约2/3。而另一方面，超声辐射杆本身对铝合金熔体传热的影响非常微小，可以忽略不计。
　　2)研究了不同工艺处理条件对铝合金凝固组织的影响规律。实验证明超声波对铸锭的细晶效果并非辐射杆端面的激冷形核所致，也与从辐射杆中分离出来的钛元素无关，而是主要归功于超声空化促成的形核增殖与谐振效应抑制了晶体生长。
　　3)在归结实验现象的基础上，分别建立了压力过冷模型、毛细浸润模型与初生晶体谐振模型。通过计算与分析，全面揭示了超声场对铝合金熔体凝固过程不同阶段的主导作用机理。在结晶温度区段，超声主要通过空化效应，以压力过冷、异质活化促进熔体形核的方式，提高形核率，实现铸锭晶粒的细化;在固-;相共存温度区段，超声主要通过谐振效应，以晶体振幅增大、界面自由能级提高至相变驱动力减小的方式，控制晶体生长速度，实现铸锭晶粒的细化。通过进一步的计算发现铝合金熔体凝固体系中最易出现谐振的晶粒为1～10μm的初生晶体。
　　4)开展了大规格7050铝合金铸锭的超声波外场辅助铸造工业实验，铸锭的规格分别达到了Φ550mm与1320mm×500mm。实验结果表明:多源超声场的协同作用可以促使铸锭全断面获得均匀的细化效果，晶粒度分别为1级（圆锭）和2级（扁锭），并且能够显著改善溶质元素的晶界偏析与宏观偏析，使其相对固溶率至少提高20％以上，同时还能提高铸锭的成品率与机械性能的均匀性。
　　5)针对1320×500mm规格铝合金扁锭超声波半连铸工艺，以添加源项的方式，建立了声-流-热耦合的三维数值模型。通过Fluent软件与二次开发的子程序，实现对铝合金半连铸多源超声作用下的多物理场耦合过程模拟，获得了不同超声频率和振幅对宏观声场、流场与温度场的影响规律，初步确定了超声参数之间的匹配关系。
　　这些研究工作将为推动铝合金超声波外场铸造技术的发展与工业应用提供工艺基础与理论参考。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 论文研究背景与意义

1．2 铝合金铸造技术与原理

1．2．1 铝合金分类及铸造技术的研究进展

1．2．2 铝合金凝固原理与组织控制

1．3 超声波处理金属熔体技术

1．3．1 超声波处理熔体技术的研究进展

1．3．2 超声波在金属熔体中的传播特征

1．3．3 超声波在熔体中传播时产生的现象

1．3．4 超声波对熔体凝固过程的作用效果与机理

1．4 关键问题与挑战

1．5 论文课题来源、研究内容与目标

1．5．1 论文的课题来源

1．5．2 研究内容与目标

2 超声场对铝合金模铸铸锭凝固过程的影响

2．1 引言

2．2 实验材料与设备

2．2．1 实验材料

2．2．2 实验设备

2．3 铝合金熔体传热分析实验

2．3．1 超声辐射杆对铝合金熔体传热的影响

2．3．2 施加超声场对铝合金熔体传热的影响

2．4 铝合金熔体凝固成形实验

2．4．1 超声辐射杆对铝合金凝固组织的影响

2．4．2 分温度区段超声处理对铝合金凝固组织的影响

2．4．3 施加超声场对异质活化与形核的影响

2．4．4 不同功率超声对铝合金凝固组织与成分偏析的影响

2．5 本章小结

3 超声场对铝合金凝固过程的作用机理

3．1 引言

3．2 超声空化对铝合金凝固过程的作用机理

3．3 晶体谐振对铝合金凝固过程的作用机理

3．4 超声声流对铝合金凝固过程的作用机理

3．5 超声作用下铝合金熔体的凝固理论模型

3．5．1 熔体形核模型

3．5．2 晶体生长模型

3．6 本章小结

4 超声场对铝合金半连铸铸锭凝固过程的影响

4．1 引言

4．2 铝合金圆锭超声波半连铸

4．2．1 实验程序与研究方案

4．2．2 结果与讨论

4．3 铝合金扁锭超声波半连铸

4．3．1 实验程序与研究方案

4．3．2 结果与讨论

4．4 本章小结

5 铝合金半连铸多源超声作用多场耦合过程的数值模拟

5．1 引言

5．1 建立模型与划分网格

5．2 多物理场耦合数值模型

5．2．1 计算方程

5．2．2 物理场耦合添加源项

5．2．3 边界条件设置与求解

5．3 模拟结果分析与讨论

5．3．1 声场分布特征

5．3．2 流场分布特征

5．3．3 温度场分布特征

5．3．4 验证与讨论

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 研究总结

6．2 主要创新点

6．3 研究展望

参考文献

攻读学位期间的主要研究成果

致谢