鋁合金半固態(tài)流變鑄鍛成形技術(shù)基礎(chǔ)研究.pdf

1、傳統(tǒng)鑄造適合生產(chǎn)形狀復(fù)雜的零件,但制件力學(xué)性能往往較低。傳統(tǒng)鍛造能生產(chǎn)高性能制件,但難以成形形狀復(fù)雜的零件,且變形抗力較大。半固態(tài)成形介于液態(tài)鑄造和固態(tài)鍛造之間,兼具兩者的優(yōu)點(diǎn),尤其半固態(tài)流變成形技術(shù),由于具有短流程、低成本、高性能等優(yōu)勢(shì)而成為研究的熱點(diǎn)。本文在鑄造、鍛造和半固態(tài)成形工藝的基礎(chǔ)上,提出鋁合金半固態(tài)流變鑄鍛成形技術(shù),該技術(shù)能在同一副模具內(nèi)實(shí)現(xiàn)鋁合金的半固態(tài)流變鑄造和鍛造一體化成形,綜合了鑄造、鍛造和半固態(tài)成形三種工藝的特點(diǎn)

2、,具有短流程、快速高效、制件組織致密且力學(xué)性能高等優(yōu)點(diǎn)。本文主要設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)氣泡攪拌及機(jī)械振動(dòng)鋁合金半固態(tài)漿料制備裝置和鋁合金半固態(tài)流變鑄鍛成形裝置,研究了鋁合金旋轉(zhuǎn)氣泡攪拌及機(jī)械振動(dòng)制漿工藝,鋁合金半固態(tài)流變鑄鍛成形工藝,并對(duì)半固態(tài)制漿和流變鑄鍛成形的機(jī)理進(jìn)行了探討。
　　首先采用旋轉(zhuǎn)氣泡攪拌法、機(jī)械振動(dòng)法的原理研制了鋁合金半固態(tài)制漿裝置,可控制包括攪拌溫度、攪拌時(shí)間、攪拌轉(zhuǎn)速、氣體流速等多個(gè)參數(shù)。研制了半固態(tài)鑄鍛一體化模具,成形

3、模具和制件均采用垂直分模,凸凹模均采用鑲塊式結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)成形模具的液壓系統(tǒng),并采用拉線位速傳感器來(lái)實(shí)時(shí)顯示壓射的速度和位移。
　　研究了旋轉(zhuǎn)氣泡攪拌制漿工藝,結(jié)果表明,要得到非枝晶半固態(tài)漿料,應(yīng)將熔體由液相線以上溫度冷卻經(jīng)過(guò)液相線并處于液相線以下5℃至20℃的范圍內(nèi),并在激冷的同時(shí)施加攪拌。在本實(shí)驗(yàn)條件下,旋轉(zhuǎn)氣泡攪拌法的最佳工藝參數(shù)為:氣流速率2 L/min,攪拌時(shí)間3 min,轉(zhuǎn)速200 r/min,靜置時(shí)間60 s。研究

4、了坩堝中漿料組織的均勻性,發(fā)現(xiàn)非枝晶的平均晶粒尺寸在坩堝的上部較小下部較大,晶粒圓整度在坩堝的邊緣較中心處圓整。
　　研究了機(jī)械振動(dòng)制漿工藝和復(fù)合制漿工藝,結(jié)果表明,要獲得非枝晶半固態(tài)漿料,應(yīng)使熔體溫度由液相線以上激冷經(jīng)過(guò)液相線并處于固液共存區(qū)間,在激冷的同時(shí)即施加振動(dòng)。最佳振動(dòng)時(shí)間為5 min。在所選的振動(dòng)參數(shù)范圍內(nèi),振幅和頻率越大振動(dòng)效果越好。振動(dòng)速度為150 mms-1時(shí)能獲得最為細(xì)小的非枝晶晶粒,振動(dòng)速度為80 mms-1

5、時(shí)能獲得最為圓整的非枝晶晶粒。最佳的振動(dòng)加速度為8000 mms-2。將垂直方向的振動(dòng)簡(jiǎn)化為單自由度系統(tǒng)的簡(jiǎn)諧強(qiáng)迫振動(dòng),推導(dǎo)得出機(jī)械振動(dòng)作用于熔體質(zhì)點(diǎn)的功率公式,表明振動(dòng)的效果與 f3×A2(即振動(dòng)速度 f×A和振動(dòng)加速度 f2×A的乘積)成正比。直接將最優(yōu)的旋轉(zhuǎn)氣泡攪拌工藝和機(jī)械振動(dòng)工藝耦合得到復(fù)合制漿工藝,與單一方法制漿相比,復(fù)合制漿能得到最佳的平均晶粒尺寸和晶粒圓整度組合,其平均晶粒尺寸為64.5μm,晶粒圓整度為0.67。

6、>　　研究了液態(tài)和半固態(tài)金屬型澆注試樣的組織和力學(xué)性能,結(jié)果表明,半固態(tài)金屬型試樣的力學(xué)性能高于液態(tài)金屬型(除復(fù)合制漿方法所得半固態(tài)試樣的抗拉強(qiáng)度低于液態(tài)金屬型外)。機(jī)械振動(dòng)易于導(dǎo)致半固態(tài)漿料中出現(xiàn)顯微空穴和孔洞,尤其復(fù)合氣泡攪拌后,試樣中易于產(chǎn)生氣孔,從而惡化制件的力學(xué)性能。由于制漿過(guò)程中的攪拌和對(duì)流作用,半固態(tài)漿料中雜質(zhì)顆粒難以聚集,其斷口中無(wú)雜質(zhì)顆粒存在,且能容許更高的雜質(zhì)含量而不會(huì)惡化力學(xué)性能,而液態(tài)試樣的斷口中存在明顯雜質(zhì)顆粒

7、,其延伸率較低。
　　研究了流變鑄鍛工藝參數(shù)對(duì)半固態(tài)制件組織和力學(xué)性能的影響,結(jié)果表明,較高的壓射壓力和壓射速度均有利于制件的充型,但壓射速度過(guò)高易于產(chǎn)生卷氣。最佳壓射壓力為40 MPa,最佳壓射速度為92 mm/s。壓鑄制件的最高抗拉強(qiáng)度為189.0 MPa,延伸率為12.6％。半固態(tài)壓鑄后的坯料在不同的溫度和固相率下進(jìn)行鍛造時(shí),具有不同的力學(xué)性能。在低固相率(fS<0.5)鍛造時(shí)相當(dāng)于液態(tài)模鍛,制件力學(xué)性能與半固態(tài)壓鑄相當(dāng);在

8、接近 fS=0.5的固相率鍛造時(shí),制件的力學(xué)性能惡化,其抗拉強(qiáng)度為170.3 MPa,延伸率為6.9％;在高固相率(fS>0.5)鍛造時(shí),制件力學(xué)性能與半固態(tài)壓鑄相當(dāng);半固態(tài)壓鑄后的坯料隨后在固態(tài)下進(jìn)行熱鍛,能得到最佳的力學(xué)性能,其抗拉強(qiáng)度為194.7 MPa,延伸率為14.3％。半固態(tài)坯料鍛造時(shí)存在一個(gè)最佳鍛造比,坯料在4 mm設(shè)定壓下量時(shí)取得最佳力學(xué)性能,其抗拉強(qiáng)度為197.0 MPa,延伸率為11.3％,此時(shí)的鍛造比為10％。半固

9、態(tài)壓鑄坯料施加鍛造后能彌合鑄造孔洞類缺陷,得到組織更加致密的制件。在制件的中部為固相顆粒密實(shí)的致密組織,在制件的邊緣為晶粒被拉長(zhǎng)的流線形組織。
　　探討了半固態(tài)鍛造及液相偏析的機(jī)理。高液相率鍛造時(shí),半固態(tài)漿料可被視為固相懸浮于液相的單相流體,其流變模型可假設(shè)為牛頓流體。公式推導(dǎo)得出半固態(tài)漿料的表觀粘度與高徑比、壓強(qiáng)和應(yīng)變之間的關(guān)系,表明鍛造或壓縮過(guò)程中表觀粘度與高徑比的平方和壓強(qiáng)成正比,與坯料的應(yīng)變成反比。高固相率鍛造時(shí),半固態(tài)坯

10、料應(yīng)被視為兩相體,其變形模型可假設(shè)為多孔材料。其受力可分為固相部分和液相部分的和,在總應(yīng)力一定的情況下,固相率越高固相顆粒所受應(yīng)力越大,固相越易于發(fā)生塑性變形,起到強(qiáng)化作用。半固態(tài)鑄鍛件的液相偏析層主要是在流變壓鑄過(guò)程中形成的,由于充型階段漿料中存在壓力梯度而產(chǎn)生液相偏析。通過(guò)公式推導(dǎo)得出液相偏析與壓力梯度、液相率、粘度、滲流通道數(shù)量和曲折因子之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,枝晶組織制件的表面無(wú)液相偏析,Al和Si元素的含量無(wú)變化。而球晶組織