振動(dòng)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(rèn)為是二十一世紀(jì)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(lái)成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。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(duì)國(guó)內(nèi)外關(guān)于半固態(tài)漿料制備研究現(xiàn)狀及發(fā)展進(jìn)行綜述的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地論述了作者采用振動(dòng)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(jī)械振動(dòng)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(jī)械振動(dòng)制漿工藝、作用機(jī)理和效果。探討了低頻機(jī)械振動(dòng)下振動(dòng)頻率、振動(dòng)時(shí)間和澆注溫度等因素對(duì)ZL101 亞共晶Al-Si 合金初生固相形態(tài)的影響，得出低頻機(jī)械振動(dòng)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(jī)械振動(dòng)制漿工藝為：振動(dòng)頻率41.7Hz左右，制漿溫度605℃左右，振動(dòng)時(shí)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(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別提高了6%、11%。
　　 研究開發(fā)出了高能超聲振動(dòng)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(diǎn)研究了超聲波制備半固態(tài)漿料的機(jī)理。探明了超聲導(dǎo)入溫度、作用時(shí)間和作用后保溫時(shí)間等參數(shù)對(duì)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(dòng)可以保持初生晶粒非枝晶生長(zhǎng)；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(dòng)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(dòng)空振比的減小，初生α-Al 晶粒更加細(xì)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(dòng)功率等參數(shù)對(duì)A390 過(guò)共晶Al-Si 合金初生Si

5、 相的影響。A390 過(guò)共晶Al-Si 合金超聲振動(dòng)后初晶Si可細(xì)化到20μm 左右。漿料受超聲振動(dòng)后保溫，初生Si 晶粒以8μm/min的平均速度快速長(zhǎng)大，而超聲振動(dòng)下初生Si 以不到2.5μm/min的速度緩慢長(zhǎng)大，平均形狀系數(shù)保持在0.5-0.6。適當(dāng)?shù)拈g歇振動(dòng)比連續(xù)振動(dòng)使初生Si 晶粒細(xì)化的效果更優(yōu)。超聲振動(dòng)下加變質(zhì)劑對(duì)初生晶粒的影響不大。超聲振動(dòng)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(shí)間為60-12

6、0s。超聲對(duì)共晶Si 有間接細(xì)化作用。超聲不改變合金中相的組成，但影響相的相對(duì)含量。
　　 探討了A390 過(guò)共晶Al-Si 合金制漿工藝條件對(duì)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(duì)流變成形試樣密度有顯著影響，存在密度突變。試樣抗拉強(qiáng)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(qiáng)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(duì)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(zhǎng)過(guò)程中的作用，闡明了超聲作用下初生晶粒非枝晶形成機(jī)理，建立了超聲場(chǎng)中低固相率時(shí)枝晶浸潤(rùn)脫落模型。鋁熔體中難潤(rùn)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(shí)產(chǎn)生109Pa的巨大壓力。通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)超聲振動(dòng)頭端部下方的超聲空化區(qū)域?yàn)榻肭蛐?。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(dá)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(jìn)形核?？栈莸呐蛎泴?dǎo)致其表面的過(guò)冷很小，不大可能促進(jìn)熔體形核。超聲波通過(guò)空化閉合時(shí)產(chǎn)生的射流和壓力波使生成的枝晶彎曲并對(duì)枝晶臂根部進(jìn)行毛細(xì)浸滲最終使其脫落，超聲空