振動制備Al-Si合金半固態(tài)漿料及其組織與性能的研究.pdf

1、金屬半固態(tài)成形技術(shù)被認為是二十一世紀最具發(fā)展前途的成形技術(shù)之一，直接將半固態(tài)漿料壓鑄或擠壓的流變成形工藝節(jié)約能源、生產(chǎn)成本低，近年來成為該領(lǐng)域的研究熱點。作為流變成形中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)——半固態(tài)漿料的制備也倍受關(guān)注并得到廣泛研究。本文在對國內(nèi)外關(guān)于半固態(tài)漿料制備研究現(xiàn)狀及發(fā)展進行綜述的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地論述了作者采用振動法制備Al-Si 合金半固態(tài)漿料的工藝和理論的研究成果。
　　 研究開發(fā)出了低頻機械振動制備金屬半固態(tài)漿料的技術(shù)及相應(yīng)

2、的制漿設(shè)備，研究了機械振動制漿工藝、作用機理和效果。探討了低頻機械振動下振動頻率、振動時間和澆注溫度等因素對ZL101 亞共晶Al-Si 合金初生固相形態(tài)的影響，得出低頻機械振動能制備出初生晶粒平均直徑為85μm、平均形狀系數(shù)為0.61的ZL101 鋁合金半固態(tài)漿料。ZL101 亞共晶Al-Si 合金半固態(tài)流變壓鑄件的組織與液態(tài)壓鑄件微觀組織相比有很大差別，前者存在初生非枝晶α-Al 相及二次凝固的α-Al 相。
　　 ZL10

3、1 鋁合金最佳力學(xué)性能流變壓鑄件的機械振動制漿工藝為：振動頻率41.7Hz左右，制漿溫度605℃左右，振動時間3-5min。ZL101 鋁合金半固態(tài)流變壓鑄件與液態(tài)壓鑄件相比，抗拉強度和伸長率分別提高了6%、11%。
　　 研究開發(fā)出了高能超聲振動制備金屬半固態(tài)漿料的技術(shù)及相應(yīng)的制漿設(shè)備，并重點研究了超聲波制備半固態(tài)漿料的機理。探明了超聲導(dǎo)入溫度、作用時間和作用后保溫時間等參數(shù)對ZL101 亞共晶Al-Si 合金半固態(tài)漿料初生固

4、相的影響。液相線溫度附近導(dǎo)入超聲振動可以保持初生晶粒非枝晶生長；生成0.1的固相率后導(dǎo)入超聲，120s的超聲作用亦可得到非枝晶組織；固相率更高后，最終組織為非枝晶和枝晶混合組織。振動144s 即可使α-Al 晶粒平均直徑在90μm 左右，平均形狀系數(shù)在0.5 以上。隨著超聲工作振動空振比的減小，初生α-Al 晶粒更加細小圓整。
　　 系統(tǒng)地研究了澆注溫度、樣杯預(yù)熱溫度和超聲振動功率等參數(shù)對A390 過共晶Al-Si 合金初生Si

5、 相的影響。A390 過共晶Al-Si 合金超聲振動后初晶Si可細化到20μm 左右。漿料受超聲振動后保溫，初生Si 晶粒以8μm/min的平均速度快速長大，而超聲振動下初生Si 以不到2.5μm/min的速度緩慢長大，平均形狀系數(shù)保持在0.5-0.6。適當?shù)拈g歇振動比連續(xù)振動使初生Si 晶粒細化的效果更優(yōu)。超聲振動下加變質(zhì)劑對初生晶粒的影響不大。超聲振動制備A390 漿料的最佳工藝參數(shù)為：澆注溫度685℃左右，超聲作用時間為60-12

6、0s。超聲對共晶Si 有間接細化作用。超聲不改變合金中相的組成，但影響相的相對含量。
　　 探討了A390 過共晶Al-Si 合金制漿工藝條件對相應(yīng)流變壓鑄件性能的影響。
　　 A390 漿料適宜的壓鑄成形溫度范圍為600-620℃。漿料成形溫度對流變成形試樣密度有顯著影響，存在密度突變。試樣抗拉強度隨Si 晶粒平均直徑增加呈線性降低。
　　 流變壓鑄試樣與液態(tài)壓鑄試樣相比：抗拉強度增加了25.2%，硬度增加了4

7、8.9%；
　　 前者組織中金屬間化合物減少，不互相連接；流變壓鑄試樣熱處理后性能大幅度增加，P 變質(zhì)對A390 流變壓鑄試樣性能影響不大，流變壓鑄試樣韌性增加，摩擦系數(shù)和磨損率減小。
　　 分析了熔體中超聲空化和聲流的形成、大小和范圍，探討了聲空化和聲流在熔體形核和晶粒生長過程中的作用，闡明了超聲作用下初生晶粒非枝晶形成機理，建立了超聲場中低固相率時枝晶浸潤脫落模型。鋁熔體中難潤濕雜質(zhì)顆粒提供超聲空化核心，超聲空化閥值

8、隨空化核的減小而增大。超聲空化泡破裂時產(chǎn)生109Pa的巨大壓力。通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)超聲振動頭端部下方的超聲空化區(qū)域為近半球形。超聲聲流大小與熔體粘度及超聲功率有關(guān)，在接近液相線溫度的鋁合金熔體中聲流速度可達1.37m/s。超聲空化產(chǎn)生的巨大空化壓力提高熔體微區(qū)的凝固溫度，從而促進形核?？栈莸呐蛎泴?dǎo)致其表面的過冷很小，不大可能促進熔體形核。超聲波通過空化閉合時產(chǎn)生的射流和壓力波使生成的枝晶彎曲并對枝晶臂根部進行毛細浸滲最終使其脫落，超聲空