SiCP/AZ91D镁基复合材料无熔剂熔炼工艺及数值模拟

摘要

众所周知，镁化学性质活泼，在高温尤其是液态下极易发生氧化甚至燃烧而引入杂质。此外，镁合金中氢溶解量较高，在凝固过程中随着温度降低易析出形成气孔，合金件的性能受到严重影响。特别地，在工程材料中用量极大的AZ91D镁合金对显微气孔较为敏感。随着镁合金产业化进程的推进，世界范围内对高纯度、高性能镁合金的需求越来越大。旋转喷吹除气法是目前国内外公认的较优铝合金除氢技术，研究此方法在镁合金中的应用，对提高镁合金质量具有重要的意义。
　　此背景下，本文主要以AZ91D镁合金为实验研究对象，对旋转喷吹惰性气体Ar气除气的过程进行了模拟分析，并对旋转喷吹Ar气工艺对添加SiC颗粒的AZ91D镁基复合材料的影响进行了研究。
　　首先，根据自行设计的旋转喷头及熔炼坩埚，建立二维计算模型，对比分析了不同气流量条件下熔体的流动状态，结合不同气流量下，熔体湍动能、平均速度及速度直方图分析得出：气流量越大，流体湍动越明显，但气流量并不是越大越好，从而确定出本次模拟条件下，合理的气流量范围为135-226 L/h。
　　其次，利用三维计算模型，研究了不同旋转速度下，Ar气在熔体中的分布、湍动能、压力场、速度场等基本规律。然后研究了不同旋转速度和气流量配合下, Ar气在熔池中的体积分布情况，最后对旋转喷吹过程中，合金液的流场特征进行了简单分析。
　　最后在上述模拟的基础上，选用旋转喷吹Ar气净化SiCP/AZ91D镁合金熔体，设计进行了三因素三水平的正交试验，探索了气流量、旋转速度及除气时间对合金铸件力学性能和微观组织的的影响，对各组试样力学性能进行后发现：旋转喷吹Ar气净化工艺可显著提高试样的力学性能。但各因素对试样性能的影响强度各有不同，对抗拉强度来说，气流量影响最大；对硬度来说，除气时间影响最大；而对伸长率来说，旋转速度影响最大。综合考虑：本实验条件下，最佳的工艺参数组合为转速475 rpm、气流量180 L/h、除气时间15 min。夹杂物含量由未精炼钱的3.8％降低至0.6%，取得了良好的净化效果。

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1 绪论

1.1 课题背景和研究目的和意义

1.2 镁合金熔体净化方法及国内外研究现状

1.3 研究内容

2 镁合金旋转喷吹除气过程的理论分析

2.1 旋转喷吹的过程分析

2.2 氢与镁的作用

2.3 热力学分析

2.4 旋转喷吹除气净化过程动力学分析

2.5 Fluent数值模拟简介

3 镁合金熔体旋转喷吹过程的数值模拟

3.1 模型建立

3.2 数值求解

3.3二维模拟结果分析

3.4 旋转喷吹的三维模拟

4 实验过程

4.1 实验准备

4.2实验材料

4.3 实验步骤

4.4 精炼温度、浇注温度等的选择

4.5 力学性能测试

5 旋转喷吹SiCP/AZ91D复合材料的组织与性能

5.1 精炼对精炼的影响

5.2 不同旋转喷吹工艺对力学性能的影响

5.3 不同旋转喷吹工艺对显微组织的影响

5.4 不同旋转喷吹工艺对断口形貌的影响

6 结论与改进

6.1 结论

6.2 改进

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢