坩埚尺寸与形状对半固态A356合金浆料影响的数值模拟及实验研究

摘要

在半固态合金浆料制备过程中，研究了坩埚尺寸与形状对半固态合金浆料质量的影响。通过改变坩埚尺寸与形状可控制有效形核率，增加熔体结构的均匀性；其次通过改变几何形状使得流动状态得到控制，促进二次流的形成，加强熔体混合和内部流动换热，增加散热的均匀性。利用坩埚结构尺寸的变化，可以在恒定的电磁频率作用下，实现熔体流动变化，有望对熔体凝固组织产生影响，而且操作更节能、更简单。获得合适的坩埚半径、坩埚形状以及电磁搅拌工艺参数为探索高效经济的控制理论与技术和工业制备高性能半固态铝合金的新工艺打下基础。本工作通过数值模拟和实验研究相结合，系统研究了电磁搅拌工艺中坩埚尺寸与形状对半固态A356铝合金液固相变规律、电磁场、流速和温度分布以及凝固组织的影响。 研究了坩埚半径对A356铝合金液固相变规律和电磁场的影响。随坩埚半径的增大，端点处熔体完全液固相变所需时间越长。磁感应强度和电磁力分别从坩埚中心到坩埚径向上0.85倍和0.9倍距离左右逐渐增大。进一步研究坩埚半径和电磁频率对半固态A356铝合金最大流速和温度分布的影响。发现最大流速随坩埚半径和电磁频率的增大而增大；当电磁频率为30Hz，坩埚半径为30mm时，最大流速为148.9mm/s。随电磁频率的增大，温度分布越来越均匀。现有实验设备在制备优质半固态铝合金浆料时的坩埚半径为30mm。 在较大坩埚半径的研究基础上，提出非圆坩埚的设计思路，希望坩埚中同一水平面上的合金熔体在电磁搅拌作用下具有不同的流动速度和流动状态，为此，研究了坩埚长短轴比例对 A356铝合金液固相变规律和电磁场的影响。随坩埚长短轴比例的增大，短轴端点处完全液固相变所需时间变化不大，而长轴端点处完全液固相变所需时间逐渐减小。当坩埚长短轴比例为1.1到1.3时，长轴上0.9倍距离左右的最大电磁力先减小后增大，短轴上0.9倍距离左右的最大电磁力一直减小；长短轴比例为1.1时，磁感应强度平均值较小，且出现磁感应强度几乎为0的距离较适中，电磁力平均值最大。 研究坩埚长短轴比例和电磁频率对半固态 A356铝合金的流动规律和温度分布。坩埚长短轴比例越大，短轴上所受的最大流速呈先增大后减小的趋势，在长轴上所受的最大流速呈先增大后减小再增大的现象；频率越高，短轴和长轴上的流速差越明显，因而可使得熔体流动时出现“加速-减速-加速”的循环运动现象。当电磁频率和坩埚长短轴比例分别为30Hz和1.1时，坩埚长轴和短轴上的最大流速分别为153.6mm/s和143.2mm/s，流速差最小。当坩埚长短轴比例一定时，随电磁频率的增大，温度梯度逐渐减小，温度分布越来越均匀。现有实验设备在制备优质的半固态铝合金浆料时的较优坩埚长短轴比例为1.1。 研究了坩埚长短轴比例、电磁频率以及搅拌时间对半固态A356铝合金浆料组织形貌的影响。制备最优组织形貌的半固态铝合金浆料时的工艺参数为：坩埚长短轴比例为1.1，电磁频率是30Hz，搅拌时间是12s。

目录

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 半固态金属加工技术概述

1.3 电磁搅拌技术原理及改进

1.4 电磁搅拌对坩埚内熔体影响的研究进展

1.5 电磁搅拌在半固态铝硅合金和铝稀土合金浆料制备中的研究进展

1.6 数值模拟在电磁搅拌技术中的研究进展

1.7 研究的意义、内容及创新点

第二章 实验材料、设备及方法

2.1 实验材料

2.2 实验设备

2.3 实验方案设计

2.4 实验工艺过程

2.5 金相试样制取与观察

第三章 数值模拟模型的建立与计算

3.1 模型建立

3.2 模型假设

3.3 模型参数设置

3.4 前处理步骤和计算过程

3.5 几何模型及网格划分

3.6 本章小结

第四章 坩埚尺寸与形状对合金凝固过程中的液固相变分析

4.1 引言

4.2 圆柱形坩埚半径对A356浆料凝固过程的液固相变分析

4.3 坩埚长短轴比例对A356浆料凝固过程的液固相变分析

4.4 本章小结

第五章 圆柱坩埚半径和电磁频率对合金电磁场、流速和温度的影响

5.1 引言

5.2 坩埚半径对半固态A356浆料电磁场的影响

5.3 坩埚半径和电磁频率对半固态A356浆料流速和温度的影响

5.4 本章小结

第六章 坩埚比例和电磁频率对合金电磁场、流速和温度的影响

6.1 引言

6.2 坩埚长短轴比例对半固态A356浆料电磁场的影响

6.3 坩埚长短轴比例和电磁频率对半固态A356浆料流速和温度的影响

6.4 本章小结

第七章 电磁频率和搅拌时间对制备半固态A356浆料组织的影响

7.1 引言

7.2 实验结果

7.3 讨论

7.4 本章小结

第八章 结 论

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果