超聲場對高強鋁合金凝固過程的影響規律與作用機理研究

超聲場對高強鋁合金凝固過程的影響規律與作用機理研究

作者:師大云端圖書館 時間:2015-11-28 分類:博士論文 喜歡:1368
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【摘要】摘要:大規格鋁合金鑄錠成形成性困難是發展我國航空航天和武器裝備用大型整體結構件所面臨的技術瓶頸。對鋁合金凝固過程施加超聲波擾動是改善鑄造缺陷、提高鑄錠品質、提升材料性能的一個新的工藝途徑。全面理解與系統掌握超聲場對鋁合金凝固過程的影響規律與作用機理是實現這一工藝的關鍵。然而,現有關于超聲波處理熔體技術的研究大多以經驗和現象描述為主,缺乏定量的表征與本質的揭示。針對于此,本論文以航空航天用高強高韌7×××系鋁合金為研究對象,通過實驗測試、理論推導、數值模擬等方法,對超聲場作用下鋁合金熔體的凝固行為及其產生機制進行了深入探討。論文的主要研究內容與結論如下:1)進行了一系列鋁合金熔體凝固傳熱分析實驗。結果表明:施加超聲場可以改善溫度場分布的均勻性,并且能夠明顯加快熔體的整體凝固進程,尤其是顯著提高固-液相區熔體冷卻速率,使其相應的冷卻時間縮短約2/3。而另一方面,超聲輻射桿本身對鋁合金熔體傳熱的影響非常微小,可以忽略不計。2)研究了不同工藝處理條件對鋁合金凝固組織的影響規律。實驗證明超聲波對鑄錠的細晶效果并非輻射桿端面的激冷形核所致,也與從輻射桿中分離出來的鈦元素無關,而是主要歸功于超聲空化促成的形核增殖與諧振效應抑制了晶體生長。3)在歸結實驗現象的基礎上,分別建立了壓力過冷模型、毛細浸潤模型與初生晶體諧振模型。通過計算與分析,全面揭示了超聲場對鋁合金熔體凝固過程不同階段的主導作用機理。在結晶溫度區段,超聲主要通過空化效應,以壓力過冷、異質活化促進熔體形核的方式,提高形核率,實現鑄錠晶粒的細化;在固-液相共存溫度區段,超聲主要通過諧振效應,以晶體振幅增大、界面自由能級提高至相變驅動力減小的方式,控制晶體生長速度,實現鑄錠晶粒的細化。通過進一步的計算發現鋁合金熔體凝固體系中最易出現諧振的晶粒為1-10μm的初生晶體。4)開展了大規格7050鋁合金鑄錠的超聲波外場輔助鑄造工業實驗,鑄錠的規格分別達到了Φ550mm與1320mm×500mm。實驗結果表明:多源超聲場的協同作用可以促使鑄錠全斷面獲得均勻的細化效果,晶粒度分別為1級(圓錠)和2級(扁錠),并且能夠顯著改善溶質元素的晶界偏析與宏觀偏析,使其相對固溶率至少提高20%以上,同時還能提高鑄錠的成品率與機械性能的均勻性。5)針對1320×500mm規格鋁合金扁錠超聲波半連鑄工藝,以添加源項的方式,建立了聲-流-熱耦合的三維數值模型。通過Fluent軟件與二次開發的子程序,實現對鋁合金半連鑄多源超聲作用下的多物理場耦合過程模擬,獲得了不同超聲頻率和振幅對宏觀聲場、流場與溫度場的影響規律,初步確定了超聲參數之間的匹配關系。這些研究工作將為推動鋁合金超聲波外場鑄造技術的發展與工業應用提供工藝基礎與理論參考。
【作者】蔣日鵬;
【導師】李曉謙;
【作者基本信息】中南大學,機械工程,2014,博士
【關鍵詞】超聲波;空化;諧振;異質活化;機理;傳熱;晶粒細化;

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