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[学位]

2A50铝合金涡旋盘半固态成形过程的流动行为与微观组织演化的研究

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Author:

张晨阳 (张晨阳.)

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学位论文库

Abstract:

半固态成形兼顾液态成形的易流动性及固态成形的高力学性能,易于实现复杂零件的近净成形,被誉为21世纪最有前途的金属加工技术之一。本文以汽车空调压缩机用铝合金涡旋盘为应用研究背景,对半固态2A50铝合金在电磁搅拌制备、二次重熔及汽车空调压缩机用涡旋盘触变挤压铸造成形工艺过程中的流动行为与微观组织演化等问题进行系统深入的理论分析、数值模拟及试验研究。
基于ANSOFT与FLUENT有限元软件,建立了电磁搅拌过程中电磁场、温度场、流场耦合的三维数学模型并对铝合金2A50的电磁搅拌过程进行数值模拟,获得了搅拌电流Is及搅拌频率fs对磁场强度及电磁搅拌力大小及分布的影响规律,分析了不同搅拌强度下浆料温度场及流场的演变行为,并揭示了铝合金2A50半固态浆料的漩涡形成机理。研究结果表明,磁感应强度及电磁搅拌力随搅拌电流Is的增加而增加并随搅拌频率fs的增加而减小,搅拌电流Is对其分布均匀性无明显影响,而增大搅拌频率fs促进集肤效应及端部效应;增加搅拌强度,浆料温度场不断下降且分布更加均匀;浆料的最大速度明显增加且覆盖面积不断扩大,搅拌强度过大会导致浆料中心漩涡直径及深度不断加大,空气深入浆料内部形成大量气孔;指出电磁搅拌下浆料由边缘旋转上升后回流至中心将空气封闭至内部是气孔大量生成的主要原因。
研制出相应的电磁搅拌试验装置,研究了搅拌电流Is、搅拌频率fs、浆料保温温度Th、搅拌筒预热温度Tc对半固态2A50铝合金微观组织演变的影响规律并揭示其形核及生长机制。结果表明,增大Is有效增强搅拌强度,增大fs成倍提高搅拌力转速,以剪切破碎初生树枝晶、形成大量细小晶核,并在浆料的强制对流中漂移增殖及等轴生长,最终形成各位置分布均匀的细小独立的近球状晶粒,但Is 30A且fs 30Hz后,晶粒形貌无明显改善;Th或Tc过低,有效搅拌时间缩短,形成晶界模糊、形貌较差的晶粒团簇;Th或Tc过高则部分晶粒合并粗化,晶粒形貌粗糙;指出其主要形核及生长机制为强制循环对流下的晶核漂移增殖、等轴生长及Ostwald粗化。获得的电磁搅拌制备2A50铝合金半固态浆料的合理工艺参数为Is=30A,fs=30Hz,Th=645℃,Tc=350℃。
将电磁搅拌所制备的半固态2A50铝合金坯料进行不同条件的二次重熔试验研究,开展了在不同初始晶粒形貌、保温温度Tr及保温时间tr等条件下重熔晶粒形貌演化规律的研究工作。结果表明,二次重熔时液相能否有效渗入晶界直接决定重熔晶粒的粗化机制;初始晶粒为粗大枝晶臂时,重熔晶粒主要以合并方式长大,初始晶粒为近球状晶粒时则主要以Ostwald熟化机制粗化长大;适当升高Tr或延长tr,液膜增厚,有助于晶粒分散独立并以Ostwald熟化机制粗化长大;获得的合理重熔工艺参数为Tr=590~595℃,tr=10~15min;590℃时该合金的粗化速率K为547μm3?s-1。
针对汽车空调压缩机用2A50铝合金涡旋盘工件的触变挤压铸造工艺,基于PROCAST有限元软件,通过大量数值模拟研究了浆料浇注温度Tp、充填速度vp及模具预热温度Tm对涡旋盘触变挤压铸造成形过程中浆料充填及凝固行为的影响,结果表明,增大充填速度vp,充型浆料的温降及充填时间减小,但充填速度vp过高则浆料易出现喷射现象;升高浇注温度Tp,浆料流速、凝固时间及缩松量不断增加;升高模具预热温度Tm,浆料温降减小且流速增加,零件热节及缩松量明显减少。最终获得的2A50铝合金涡旋盘触变挤压铸造成形的合理工艺参数范围为Tp=590℃~595℃,vp=0.2m/s~0.3m/s,Tm=300℃~350℃。
研制出顶部缸出力2000kN,底部缸及水平周向四个侧边缸均出力1700kN的六方向液压缸可独立控制的多向挤压铸造试验样机及相应的一模四件涡旋盘挤压铸造模具,进行了2A50铝合金涡旋盘触变挤压铸造成形试验,验证了数值模拟优化参数的可靠性并分析研究了不同单位挤压压力P、浇注温度Tp及不同热处理工艺对浆料微观组织演变规律及力学性能的影响。结果表明,增加单位挤压压力P,微观孔洞数量明显减少,晶粒密实程度提高,其力学性能不断增大,当P 100MPa后,大量晶粒粘结形成晶粒团簇,其力学性能逐渐趋于稳定,确定100MPa为其合理单位挤压压力;枝晶形貌及喷射紊流是液态浇注件力学性能明显低于半固态浇注件的直接原因。T5及T6热处理后微观组织大量析出弥散强化相导致其拉伸强度和硬度提高、伸长率下降,T6热处理下更为明显。

Keyword:

半固态成形 涡旋盘 流动行为 铝合金 微观组织

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  • [ 1 ] 西安交通大学机械工程学院

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Basic Info :

Degree: 工学博士

Mentor: 赵升吨

Year: 2016

Language: Chinese

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