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7050合金电流场均匀化过程中温度场研究

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摘要

第1章 绪论

1.1 铝和铝合金概述

1.2 国内外超高强铝合金的研究概况

1.2.1 国外超高强Al-Zn-Mg-Cu合金的研究与发展

1.2.2 国内超高强Al-Zn-Mg-Cu合金的研究与发展

1.3 高强铝合金的合金化机理

1.4 均匀化热处理工艺

1.4.1 均匀化热处理的意义

1.4.2 均匀化热处理存在的问题

1.5 电场对材料性能影响的研究

1.5.1 电流超塑性

1.5.2 电场对金属凝固过程的影响

1.5.3 电场对材料表面硬度的影响

1.5.4 静电场对固态相变的影响

1.6 ANSYS软件的介绍

1.7 本论文研究的主要内容和目的

第2章 材料制备及实验方法

2.1 实验方案

2.2 实验材料及其制备

2.3 实验工艺

2.4 实验设备

2.5 检测分析方法

2.5.1 DSC分析

2.5.2 电导率测定

2.5.3 宏观硬度测试

2.5.4 显微组织观察与测试

第3章 电流场热处理过程温度场研究

3.1 研究目的与实验内容

3.2 实验结果与分析

3.2.1 不同工艺参数对铝合金试样温度分布的影响

3.2.2 电流场热处理试样温度稳定性研究

3.2.3 补偿加热过程温度分布研究

3.3 本章小结

第4章 不同电流强度试样温度场有限元模拟

4.1 有限元法的基本思想

4.2 温度场问题有限元法的基本原理

4.2.1 热传导基本方式及理论

4.2.2 温度场分析的数值求解

4.2.3 瞬态温度场的有限元方法

4.2.4 电流场热处理温度场数学模型

4.3 不同电流强度模拟结果与分析

4.3.1 电流强度为1500A模拟结果分析

4.3.2 电流强度为2000A模拟结果分析

4.3.3 电流强度为3000A模拟结果分析

4.3.4 大规格铸锭电流场热处理温度分布预测

4.4 本章小结

第5章 7050合金电流场均匀化热处理实验研究

5.1 研究目的与实验安排

5.2 铸态7050合金实验结果与分析

5.2.1 铸态合金DSC结果

5.2.2 铸态7050合金显微组织观察与能普分析

5.3 稳恒直流电场均匀化对7050合金中相变的影响

5.3.1 不同均匀化热处理条件下合金的DSC分析

5.3.2 不同均匀化热处理条件下合金微观组织观察与能普分析

5.4 本章小结

第6章 结论

参考文献

致谢

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摘要

为保证电流场热处理过程中温度的均匀性与稳定性,本文考察了设备工艺参数对温度场的影响,通过对电流场下试样温度场有限元模拟,对比分析不同实验条件下试样的温度场及试样不同位置升温曲线,对电流场处理大规格尺寸铸锭中温度分布进行预测,并对7050铝合金在电流场均匀化过程中晶界非平衡相的溶解及相转变行为进行了研究。
  研究结果表明,当风机频率为10Hz、电流强度为2000A时,且铜夹具有无通冷却水,试样最右端与最左端位置的温差分别为76℃和6℃;当电流强度为1500A,无吹风条件下,且铜夹具有无通冷却水,试样最右端与最左端位置的温差分别为71℃和10℃。可见,两侧铜夹具通水冷却可显著降低试样对称位置的温差。
  纯电流加热方式条件下,当无吹风,电流强度为2000A和3000A时,试样加热至470℃所需时间分别为507s和140s,电流强度越大,试样升温速度越快;电流强度为1500A时,试样温度加热150min不能达到470℃,此时最高温度为428℃。
  当电流强度为2000A,无风和风机频率为5Hz时,试样到达470℃所用时间分别为507s和945s;风机频率为10Hz时,试样温度不能达到470℃,最高温度为374℃。风机频率影响试样的升温速度,风机频率越大,试样升温速度越慢。
  采用纯电流加热方式试样的温度分布不均匀,且电流强度小于2000A时不能达到所需均匀化温度,不能满足电流场均匀化实验要求。补偿加热,吹风和电流的共同作用时,试样各位置心部与表面温差基本不存在,可以满足7050合金电流场均匀化热处理要求。
  纯电流加热方式试样温度分布仿真模拟结果表明,电流强度为2000A时,试样最右点温度的模拟和实测结果分别为399.8℃和233℃,误差为0.6%;可见,所建模型的模拟结果与实测结果基本一致。
  7050铸态合金经450℃/0A、450℃/1000A和465℃/0A、465℃/1000A均匀化2h后晶界残余相面积分数由铸态的4.6%分别减少到2.82%、2.29%和2.44%、2.36%;经450℃均匀化24h后,残留少量AlZnMgCu非平衡共晶相,晶界残余相面积分数减小到2.08%;经450℃/1000A、465℃/0A和465℃/1000A均匀化24h后,晶界AlZnMgCu非平衡共晶相完全溶解或转化,晶界残余相面积分数分别减小到1.68%、1.41%和0.8%,可见电流显著促进了AlZnMgCu相向基体的溶解或转变成S相。

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