电子束扫描铝硅合金熔池内熔体行为及凝固特性的研究

摘要

铝硅合金的耐腐蚀性差等缺点限制了其工业应用,因此需要进行表面处理。铝硅合金的显微组织取决于材料的凝固条件。对熔化材料进行快速凝固,可使铝硅铸件的平均晶粒尺寸减少一个数量级,电子束扫描技术作为一项新型的快速表面处理技术,为提高铝硅合金的硬度并改善耐磨性开辟新的领域。
　　为研究电子束扫描铝硅合金表面的熔化及凝固特性,结合目前热流耦合模拟的发展,建立一个与实际加载方式更加贴合的热源模型;对热处理过程中的温度场、流场及应力场进行了模拟,得到了熔凝过程中三场的分布特点;讨论了下束时间对束斑尾迹线的影响;探讨了热处理过程中的延迟效应;得到了经电子束扫描处理后试样表面的形貌;研究了经扫描处理后试样的表面变形。基于价电子理论计算了铝硅合金内各相的价电子结构,并以此为依据判断热处理过程中的熔凝特性;利用金相显微镜、扫描电镜、显微硬度计等对试样进行金相组织分析与机械性能测试;分析了凝固后硅相形貌尺寸对材料硬度的影响;探讨了硅相中心产生裂纹的原因;分析了电子束工艺参数对气孔及失重的影响,并探讨了飞溅形成的条件。
　　研究表明:下束阶段模型切面的瞬时温度场分布呈双扭线形,下束时间越长,试样扫描带上高温区分布越集中,相对的温度梯度也越大。能量的动态累积过程和热容引起了热处理过程的延迟效应。熔体前沿的涡流为顺时针方向,熔体后沿的涡流为逆时针方向,前者沿熔深方向的速度分量明显大于后者,熔体内侧沿熔深方向的速度分量也大于熔体外侧的速度分量,最大速率位置在熔体前沿,其值可达0.201m/s。下束30s后冷却试样的最大正变形为0.2989mm,最大负变形为0.3086mm。硅相及共晶体的结构破坏要比铝的结构破坏难,从固态开始,Al-Al相最先开始熔化,之后是Al-Si共晶组织,最后是Si-Si相发生破坏;经电子束表面熔凝处理后,试样分为熔化区、过渡区和基体三个区域;且经电子束扫描处理后,硅相得到了明显细化;熔化区内硅相的形貌尺寸小于8.5μm,该区的最高硬度是基体硬度的1.39倍;溶解后硅相周围的密度差是硅相中心产生裂纹的原因。
　　扫描后试样切面可以观察到明显有气孔生成,大的功率和高的扫描频率以及扫描前较高的环境温度有利于气孔的形成。气孔集中在过渡区的外边界位置处,尺寸均匀,形状规则,平均尺寸达400/3um。气孔周围有硅相析出的地方,硅的生长方向有明显的一致性,都是沿着散热最快的方向。低的扫描频率、高的功率及长的下束时间都会引起试样明显的失重。

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第一章 绪 论

§1.1 课题背景

§1.2 电子束扫描表面熔凝的工艺特点

§1.3 国内外铝合金电子束强化处理的发展及研究现状

§1.4 表面强化熔池内流体行为的国内外发展及研究现状

§1.5 表面强化动态凝固特性的国内外研究现状

§1.6 课题的来源

§1.7 课题的研究意义

§1.8 论文的主要内容及创新点

第二章 试验方法与设备

§2.1 试验材料

§2.2 电子束设备与扫描方式

§2.3 组织性能测试设备及实验方法

§2.4 本章小结

第三章 铝硅合金电子束表面熔凝的温度场、流场及应力场仿真

§3.1 COMSOL 应用软件

§3.2 电子束扫描铝硅合金表面熔凝有限元模型的建立

§3.3 结果与分析

§3.4 本章小结

第四章 铝合金电子束表面熔凝的价电子计算和理论分析

§4.1 价电子理论分析基础

§4.2 合金价电子结构的计算

§4.3 计算结果分析

§4.4 本章小结

第五章 铝硅合金电子束扫描表面熔凝的试验研究

§5.1 试样制备方法与测试设备

§5.2 铝硅合金表面变形分析

§5.3 硅相的形态演变及其对合金性能的影响

§5.4 过渡区气孔的形成特征及机理

§5.5 铝硅合金表面熔凝失重现象与形成机理

§5.6 本章小结

第六章 总结与展望

§6.1 全文总结

§6.2 展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间主要研究成果