半固态铝合金浆料制备过程的多尺度模拟及优化设计

摘要

半固态成形技术(Semi-Solid Metal Process,简称SSM)以其高效、高性能、低成本、节能环保等突出特点受到人们的广泛关注。金属半固态成形技术的工艺路线包括流变成形与触变成形,其中触变成形的方法发展较为成熟,工业化程度高,而浆料制备是触变成形的关键,近液相线铸造技术是获得半固态浆料的简单高效的方法之一。实际上,不是所有的合金都适于近液相线铸造,而且不同工艺参数所得到的浆料的性能也不相同。为了获得具有良好半固态成形性能和使用性能的合金,人们需要进行大量的实验研究,浪费了大量的人力物力,因此通过计算机模拟进行半固态合金设计就成为目前人们关注的课题。本文在国家自然科学基金的资助下,对半固态铝合金的浆料制备过程进行了多尺度模拟及优化设计,提出了用多尺度模拟进行半固态合金设计及制备工艺优化的方法。
　　 本文针对半连续铸造过程的特点,建立了描述金属凝固过程的传热、传质以及液固相变的形核与长大模型。通过固相率变化将介观尺度和宏观尺度计算进行耦合,实现合金凝固组织演变的多尺度模拟,并对ZL201合金和A356合金的微观组织进行了多尺度模拟,模拟所得晶粒大小和晶粒形貌与实验结果吻合,说明本文所建立的模型是正确的。
　　 对ZL201合金的半连续铸造过程的温度场进行了模拟,得到了不同的浇注温度、铸造速度、冷却强度下的温度场。对铸造速度为2.0mm/s、冷却水的换热系数为1000W/(m2·K)、浇注温度为922K条件下ZL201合金的微观组织演变过程进行了模拟,得到了晶粒的长大方式和长大过程、晶粒周围的溶质浓度变化规律,模拟结果与Dustin-Kurz、Rappaz-Thevoz和Kanetkar-Stefanescu模型吻合。
　　 对铸造速度为2.0mm/s、冷却水的换热系数为1000 W/(m2·K)、浇注温度高于液相线5K条件下Al-7wt％Si、Al-10wt％Si合金相的演变过程进行了模拟。初始阶段,结晶核心呈枝晶形状生长,并不断向液相排出溶质,导致枝晶边界的溶质浓度较高。随着温度的降低,枝晶边界形成共晶组织,Al-7wt％Si合金的共晶组织呈弥散分布；Al-10wt％Si合金的共晶组织沿着晶界连续分布,同时晶界内也存在大量灰色的共晶相；Al-10wt％Si合金中的共晶组织比Al-7wt％Si的共晶组织多。目前,在半固态成形研究领域尚未见到有关合金相演变过程多尺度模拟的文献报道。
　　 本文提出了一个半固态合金组织评价的量化标准,为半固态合金设计及其制备工艺优化提供了参考依据。对不同合金成分的铝铜合金在不同的铸造速度、浇注温度、冷却水的换热系数条件下的微观组织进行了模拟,将得到的11组平均晶粒尺寸、平均晶粒圆度模拟结果用本文所提出的标准进行了衡量,得到了适合半固态加工的最佳合盒成分及其成形工艺条件:合金成分为Al-8wt％Cu、浇注温度为922K、冷却水换热系数为1000W/(m2·K)、铸造速度为2.0mm/s。对不同合金成分的铝硅合金在不同的铸造速度、浇注温度、冷却水的换热系数条件下的微观组织进行了模拟,将得到的6组平均晶粒尺寸、平均晶粒圆度模拟结果用本文所提出的标准进行了衡量,得到了适合半固态加工的最佳合金成分及其成形工艺条件:Al-7wt％Si在浇注温度为896K、冷却水换热系数为1000W/(m2·K)、铸造速度为2.0mm/s条件下的微观组织最佳。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 半固态成形技术的研究及应用现状

1.2 半固态浆料制备技术

1.3 半连续铸造过程的多尺度模拟

1.3.1 国内外凝固过程温度场数值模拟进展

1.3.2 微观组织数值模拟方法

1.3.3 微观组织数值模拟的理论模型

1.4 本文研究的内容及意义

第2章 半连续铸造过程数学物理模型的建立

2.1 温度场模型

2.1.1 传热方程

2.1.2 边界条件

2.2 浓度场模型

2.3 形核模型

2.4 生长模型

2.5 元胞自动机模型

第3章 半连续铸造过程的多尺度模拟

3.1 ZL201铝合金半连续铸造过程模拟

3.1.1 温度场模拟结果

3.1.2 微观组织演变模拟

3.1.3 ZL201铝合金的微观组织模拟结果与实验结果对比

3.2 铝硅合金近液相线半连续铸造微观组织模拟

3.2.1 铝硅合金相的演变过程模拟结果

3.2.2 A356合金的微观组织模拟结果与实验结果对比

3.3 本章小结

第4章 半固态合金及其浆料制备工艺优化

4.1 半固态合金组织评价的量化标准

4.2 铝铜合金半固态浆料及制备工艺优化

4.2.1 合金成分及工艺参数对铝铜合金组织的影响

4.2.2 半固态铝铜合金设计及工艺优化

4.3 铝硅合金半固态浆料及制备工艺优化

4.3.1 合金成分及工艺参数对铝硅合金组织的影响

4.3.2 半固态铝硅合金设计及工艺优化

4.4 本章小结

第5章 结论

参考文献

致谢

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