含硅鋁合金半固態(tài)坯料制備過程中微觀組織演變的研究.pdf

1、金屬半固態(tài)成形技術(shù)以其高效率、高性能、低成本、節(jié)能環(huán)保等突出優(yōu)點(diǎn)被譽(yù)為“21世紀(jì)最具發(fā)展前途的近凈成形技術(shù)”之一，鋁合金半固態(tài)零件以其質(zhì)輕、比強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性好、機(jī)加工性能優(yōu)異和可回收等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車和民用領(lǐng)域等行業(yè)，尤其是隨著汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，汽車輕量化越來越受到人們的重視，半固態(tài)成形方法生產(chǎn)的鋁合金部件將具有廣闊的應(yīng)用前景。因此，近年來6061、A390、ADC12等含硅鋁合金的半固態(tài)成形技術(shù)研究受到材料加工領(lǐng)域研究人員的

2、廣泛關(guān)注。
　　不論是半固態(tài)流變成形還是觸變成形，制得具有細(xì)小、均勻的非枝晶組織半固態(tài)坯料是半固態(tài)成形技術(shù)的關(guān)鍵。為此，人們開發(fā)了多種半固態(tài)坯料制備工藝，其中半固態(tài)坯料的近液相線半連續(xù)鑄造制備方法以其工藝簡單、生產(chǎn)效率高、非枝晶組織細(xì)小、利于產(chǎn)業(yè)化等優(yōu)勢引起人們的重視，盡管人們對(duì)鋁合金半固態(tài)成形開展了大量工作，但到目前為止，關(guān)于近液相線半連續(xù)鑄造方法制備近共晶和過共晶鋁合金的半固態(tài)坯料的研究尚未見文獻(xiàn)報(bào)道。另外，雖然用近液相線半連

3、續(xù)鑄造方法制備的半固態(tài)坯料的平均晶粒尺寸小于50μm，晶粒形貌為非枝晶組織，但是仍然包含有一定量的薔薇晶，有待于進(jìn)一步改善。為此，本文采用近液相線半連續(xù)鑄造方法制備含硅鋁合金半固態(tài)坯料，并進(jìn)一步通過形變熱處理改善微觀組織，本文稱之為優(yōu)化Strain Induced Melt Activation(SIMA)法。
　　通過實(shí)驗(yàn)、理論和多尺度模擬系統(tǒng)研究了亞共晶、近共晶及過共晶含硅鋁合金半固態(tài)坯料制備過程中微觀組織演變的規(guī)律，獲得的主

4、要結(jié)果如下:
　　(1)根據(jù)均質(zhì)形核理論，考慮晶粒長大因素，建立了近液相線半連續(xù)鑄造中液固相變的形核模型，nnuclei=IV(1-Q(t))t式中，nnuclei-形核數(shù)目;I-單位時(shí)間單位體積內(nèi)的形核率;Q(t)-熔體內(nèi)未發(fā)生形核與晶粒長大部分所占的體積分?jǐn)?shù);t-凝固時(shí)間。進(jìn)而得出晶粒尺寸d的預(yù)測模型d=3√6/πIt[1-Q(t)]該模型對(duì)6061合金晶粒尺寸的預(yù)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)吻合，表明均質(zhì)形核是近液相線半連續(xù)鑄造過程中液固相

5、變的主要形核機(jī)制。
　　(2)利用多尺度模擬方法對(duì)近液相線半連續(xù)鑄造過程中微觀組織演變過程進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)吻合。模擬發(fā)現(xiàn)，晶粒生長過程中不斷向液相排出溶質(zhì)，導(dǎo)致晶粒液固界面前沿的溶質(zhì)濃度較高，引起成分過冷，從而導(dǎo)致晶粒以不同形狀生長。當(dāng)成分過冷度較小時(shí)，晶粒以球形生長，當(dāng)成分過冷度較大時(shí)，晶粒以薔薇狀生長。
　　(3)Si含量對(duì)Al-Si合金晶粒尺寸的影響在亞共晶區(qū)和過共晶區(qū)具有不同的規(guī)律。當(dāng)Si含量在亞共晶范圍時(shí)

6、，初生相平均尺寸隨著Si含量的增加而減小;Si含量接近共晶點(diǎn)時(shí)，組織中初生α-Al相、初生Si和共晶組織共存，且晶粒細(xì)小;Si含量在過共品范圍時(shí)，初生Si和α-Al相平均尺寸隨著Si含量的增加而增大。
　　(4)用近液相線半連續(xù)鑄造方法可以獲得優(yōu)質(zhì)的過共晶鋁硅合金半固態(tài)坯料，并能得到均勻分布的近球形初生Si，其平均尺寸大約為10μm。
　　(5)提出了對(duì)近液相線半連續(xù)鑄造組織進(jìn)一步改善的處理方法-優(yōu)化Strain Induc

7、ed Melt Activation(SIMA)法，對(duì)近液相線半連續(xù)鑄造制得的組織進(jìn)行形變熱處理。當(dāng)塑性變形程度小于50％時(shí)，經(jīng)過熱處理后，隨著變形量的增加晶粒尺寸急劇減小，變形量越大，球化度越好;當(dāng)塑性變形程度大于50％時(shí)，經(jīng)過熱處理后，晶粒與小于50％變形的熱處理組織相比更加細(xì)小、圓整，并且晶粒變化不明顯，因此本文選擇變形量大于50％。變形后組織經(jīng)過低溫長時(shí)間或高溫短時(shí)間均可獲得具有細(xì)小、圓整的半固態(tài)組織坯料。當(dāng)對(duì)6061合金采用6