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超声外场辅助铸造抑制7050合金宏微观偏析的实验研究

作　者: 黎正华
导　师: 李晓谦
学　校: 中南大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 超声场半连续铸造液穴凝固组织宏观偏析微观偏析
分类号: TG292
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

在7050铝合金的半连续铸造过程中,铝熔体在凝固过程中由于溶质分配系数的差异,导致铸锭内外或上下各部位之间在化学成分上产生不均匀现象,即宏观偏析。宏观偏析的出现不仅对铸锭的性能有不良的影响,而且增加了铸锭产生热裂的倾向,同时对后续热处理工艺和制品的最终性能有不同程度的影响。本文在7050铝合金半连续铸造过程中引入超声外场,旨在通过控制液相的流动来达到抑制宏观偏析的目的,主要研究内容包括以下几方面：1、通过进行7050铝合金的半连续铸造实验,描述了7050铝合金铸锭中的宏观偏析现象及微观组织形貌,通过SPECTRO-MAXx立式直读光谱仪和Leica金相显微镜对不同超声功率段的铸锭进行径向测量和观察,实验结果表明：熔体超声处理后的铸锭组织变得细小,混晶减少,溶质元素Zn、Mg、Cu在铸锭径向均呈明显的逆偏析现象,熔体超声处理后的铸锭逆偏析得到弱化,在实验仪器所提供的超声功率内,功率越大,偏析弱化效果越明显,在240W超声功率作用下,Zn、Mg、Cu的偏析比由未加超声时的1.243、1.158和1.19降低为1.086、1.098和1.11。2、针对7050铝合金半连续铸造实验过程中产生的逆偏析行为,对其形成机制及物理模型进行阐述,研究7050铝合金的半连续铸造过程中,采用超声波进行晶粒细化并控制液穴深度,实现对凝固组织和成分偏析控制的技术和相关原理,由铸锭收缩导致溶质在枝晶间的横向流动减弱；两相区液固相相对运动减弱；悬浮晶粒的长大被抑制是超声弱化宏观偏析的主要原因。3、比较铝合金普通半连铸技术和超声半连续铸造技术所得的铸锭试样,研究超声外场对显微组织、合金元素晶内固溶度的影响,并分析其作用机理。实验结果表明：超声明显细化了晶粒,显著提高了合金元素在晶内的固溶度,减小了微观偏析程度,相对于未加超声制备的铸锭,溶质元素Zn、Mg和Cu的晶内相对固溶度分别由63.5%、50%和38.4%提高为85.7%、87.6%和61.7%,强化了合金元素在晶内的固溶,使材料的机械性能得到显著提高。4、基于元胞自动机法耦合有限差分法原理,对坩埚实验中7050铝合金熔体经超声外场处理后的凝固组织进行微观模拟,具体研究不同施振功率和冷却方式对7050铝合金微观组织的作用规律,在实验验证的基础上,对超声细化晶粒的机制进行了说明。模拟和实验结果表明：熔体超声处理后的铸锭,凝固组织得到明显细化,组织形貌也由枝状晶变成为细小等轴晶,超声的空化效应和声流效应使得形核率增加是晶粒细化的主要原因；在实验功率范围内,超声功率为240W时细化效果最佳,此时晶粒的平均尺寸为72um；超声细晶过程需要一个必要时间,冷却强度低时,超声有效作用时间延长,晶粒的均匀化和细化程度增加,超声作用功率为200W时,改变冷却方式,随炉冷却方式所得晶粒最小,平均尺寸为82 um。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-16
  1.1 引言  9-10
  1.2 超声半连续铸造技术的发展及研究现状  10-13
    1.2.1 铝合金半连续铸造工艺的发展过程  10-11
    1.2.2 超声铸造技术的发展过程  11
    1.2.3 超声对金属熔体的作用效果研究现状  11-13
  1.3 课题来源、研究意义及论文内容  13-16
    1.3.1 课题背景与来源  13-14
    1.3.2 研究内容与意义  14-16
第二章铝合金半连续铸造过程中的宏观偏析行为及参数  16-28
  2.1 引言  16
  2.2 液相流动在金属凝固中的作用  16-17
    2.2.1 液相流动的分类  16
    2.2.2 液相流动对金属凝固组织的影响  16-17
    2.2.3 液相流动对宏观偏析的影响  17
  2.3 铝合金半连续过程中的宏观偏析  17-20
    2.3.1 合金的溶质分配系数  17-18
    2.3.2 宏观偏析的模型  18-19
    2.3.3 宏观偏析的类型  19-20
  2.4 半连铸的凝固参数  20-24
    2.4.1 液穴及测量方法  20-22
    2.4.2 流场参数及测量方法  22-23
    2.4.3 微观组织及仿真  23-24
  2.5 超声弱化偏析作用机理研究  24-27
    2.5.1 超声外场对熔点温度的影响  24-25
    2.5.3 超声外场做功对溶质有效分配系数的影响  25-27
  2.6 本章小结  27-28
第三章 7050铝合金超声半连续铸造实验  28-37
  3.1 引言  28
  3.2 超声半连续铸造实验  28-30
    3.2.1 实验设备  28-29
    3.2.2 实验材料  29
    3.2.3 实验方案  29-30
  3.3 实验结果  30-33
  3.4 实验结果分析  33-35
    3.4.1 超声对两相区流场的影响  33-34
    3.4.2 铸锭收缩导致的流动  34-35
    3.4.3 超声对悬浮晶粒的影响  35
  3.5 本章小结  35-37
第四章超声铸造对微观偏析行为作用的实验研究  37-44
  4.1 引言  37
  4.2 实验  37
  4.3 结果分析与讨论  37-41
  4.4 超声强化晶内固溶的机制研究  41-42
  4.5 本章小结  42-44
第五章 7050合金超声波铸造微观组织模拟  44-53
  5.1 引言  44
  5.2 微观组织的模拟方法  44-46
    5.2.1 决定论方法  45
    5.2.2 随机论方法  45-46
      5.2.2.1 蒙特卡罗法  45
      5.2.2.2 元胞自动机法  45-46
  5.3 超声坩埚实验  46-47
    5.3.1 实验设备  46
    5.3.2 实验材料  46-47
    5.3.3 实验方案  47
  5.4 微观组织仿真的理论基础  47-49
    5.4.1 有限元模型  47-48
    5.4.2 形核模型  48-49
  5.5 模拟结果与实验验证  49-52
  5.6 本章小结  52-53
第六章全文总结及展望  53-55
  6.1 主要研究工作及结论  53-54
  6.2 研究中存在的问题及展望  54-55
参考文献  55-61
致谢  61-62
攻读硕士学位期间的主要研究成果  62

超声外场辅助铸造抑制7050合金宏微观偏析的实验研究

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