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1、华中科技大学 博士学位论文 振动制备Al-Si合金半固态浆料及其组织与性能的研究 姓名：赵君文 申请学位级别：博士 专业：材料加工工程 指导教师：吴树森 20090519 华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 I 摘摘 要要 金属半固态成形技术被认为是二十一世纪最具发展前途的成形技术之一，直接 将半固态浆料压铸或挤压的流变成形工艺节约能源、生产成本低，近年来成为该领 域的研究热点。作为流变成形中最关键的环节半固态浆料的制备也倍受关注并 得到广泛研究。本文在对国内外关于半固态浆料制备研究现状及发展进行综述的基 础上，系统地论述了作者采用振动法制备 Al-Si 合
2、金半固态浆料的工艺和理论的研 究成果。 研究开发出了低频机械振动制备金属半固态浆料的技术及相应的制浆设备，研 究了机械振动制浆工艺、作用机理和效果。探讨了低频机械振动下振动频率、振动 时间和浇注温度等因素对 ZL101 亚共晶 Al-Si 合金初生固相形态的影响，得出低频 机械振动能制备出初生晶粒平均直径为 85m、平均形状系数为 0.61 的 ZL101 铝 合金半固态浆料。ZL101 亚共晶 Al-Si 合金半固态流变压铸件的组织与液态压铸件 微观组织相比有很大差别，前者存在初生非枝晶-Al 相及二次凝固的-Al 相。 ZL101 铝合金最佳力学性能流变压铸件的机械振动制浆工艺为：振动频率
3、 41.7Hz 左右，制浆温度 605左右，振动时间 3-5min。ZL101 铝合金半固态流变压铸件与 液态压铸件相比，抗拉强度和伸长率分别提高了 6%、11%。 研究开发出了高能超声振动制备金属半固态浆料的技术及相应的制浆设备，并 重点研究了超声波制备半固态浆料的机理。探明了超声导入温度、作用时间和作用 后保温时间等参数对 ZL101 亚共晶 Al-Si 合金半固态浆料初生固相的影响。液相线 温度附近导入超声振动可以保持初生晶粒非枝晶生长；生成 0.1 的固相率后导入超 声，120s 的超声作用亦可得到非枝晶组织；固相率更高后，最终组织为非枝晶和枝 晶混合组织。振动 144s 即可使-Al
4、 晶粒平均直径在 90m 左右，平均形状系数在 0.5 以上。随着超声工作振动空振比的减小，初生-Al 晶粒更加细小圆整。 系统地研究了浇注温度、样杯预热温度和超声振动功率等参数对 A390 过共晶 Al-Si 合金初生 Si 相的影响。A390 过共晶 Al-Si 合金超声振动后初晶 Si 可细化到 20m 左右。 浆料受超声振动后保温， 初生 Si 晶粒以 8m/min 的平均速度快速长大， 而超声振动下初生 Si 以不到 2.5m/min 的速度缓慢长大，平均形状系数保持在 0.5-0.6。适当的间歇振动比连续振动使初生 Si 晶粒细化的效果更优。超声振动下加 变质剂对初生晶粒的影响不大
5、。超声振动制备 A390 浆料的最佳工艺参数为：浇注 华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 II 温度 685左右，超声作用时间为 60-120s。超声对共晶 Si 有间接细化作用。超声 不改变合金中相的组成，但影响相的相对含量。 探讨了 A390 过共晶 Al-Si 合金制浆工艺条件对相应流变压铸件性能的影响。 A390 浆料适宜的压铸成形温度范围为 600-620。浆料成形温度对流变成形试样密 度有显著影响，存在密度突变。试样抗拉强度随 Si 晶粒平均直径增加呈线性降低。 流变压铸试样与液态压铸试样相比：抗拉强度增加了 25.2%，硬度增加了 48.9%；
6、 前者组织中金属间化合物减少，不互相连接；流变压铸试样热处理后性能大幅度增 加， P 变质对 A390 流变压铸试样性能影响不大，流变压铸试样韧性增加，摩擦系 数和磨损率减小。 分析了熔体中超声空化和声流的形成、大小和范围，探讨了声空化和声流在熔 体形核和晶粒生长过程中的作用，阐明了超声作用下初生晶粒非枝晶形成机理，建 立了超声场中低固相率时枝晶浸润脱落模型。铝熔体中难润湿杂质颗粒提供超声空 化核心，超声空化阀值随空化核的减小而增大。超声空化泡破裂时产生 109Pa 的巨 大压力。通过数值模拟发现超声振动头端部下方的超声空化区域为近半球形。超声 声流大小与熔体粘度及超声功率有关，在接近液相线温
7、度的铝合金熔体中声流速度 可达 1.37m/s。超声空化产生的巨大空化压力提高熔体微区的凝固温度，从而促进 形核。空化泡的膨胀导致其表面的过冷很小，不大可能促进熔体形核。超声波通过 空化闭合时产生的射流和压力波使生成的枝晶弯曲并对枝晶臂根部进行毛细浸渗 最终使其脱落，超声空化和声流同时作用阻碍晶粒生长并均化组织。 关键词关键词：铝合金 半固态浆料 振动 超声 非枝晶组织 压铸 机理 华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 III Abstract Semi-solid metal forming is considered as one of the most
8、promising technologies in twenty-first century. Recently, rheoforming, which die-casts or extrudes semi-solid slurry directly and characterizes as energy-saving, low costs, has become the hot research topics in semi-solid metal forming field. Consequently, preparation of semi-solid slurry, the most
9、critical step of rheoforming, has drawn great attention and extensive research. In this research, based on the review of the research and development of the semi-solid slurry preparation method around the world, the author systematically discussed the preparation of Al-Si alloy semi-solid slurry by
10、vibration. The technique of semi-solid metal slurry preparation by low-frequency mechanical vibration and the relevant equipment were developed, and the process and mechanism of slurry preparation by mechanical vibration were studied. The effects of processing parameters such as mechanical vibration
11、 frequency, vibration time and pouring temperature on the primary solid phase of ZL101 hypoeutectic Al-Si alloy were investigated. The results show that the ZL101 alloy semi-solid slurry with average grain diameter of 85m, average shape coefficient of 0.61 could be prepared by low-frequency mechanic
12、al vibration; the microstructures of semi-solid rheo-diecasting and liquid diecasting of ZL101 hypoeutectic Al-Si alloy are very different, as the former exhibits the primary non-dendritic -Al phases and secondary solidified -Al phases. The slurry preparaton process which can gain the best mechanica
13、l properties of rheo-diecasting of ZL101 aluminum alloy is: vibration frequency about 41.7Hz, preparation temperature around 605 , vibration time for 3-5min. Compared to liquid diecasting, the tensile strength and elongation of rheo-diecasting of ZL101 aluminum alloy were increased by 6% and 11%, re
14、spectively. The technique of semi-solid metal slurry preparation by high-energy ultrasonic vibration and the relevant equipment were developed, and the process and mechanism of slurry preparation by high-energy ultrasonic vibration were studied. The role of processing parameters such as ultrasonic i
15、nput temperature, treatment time and rest-work 华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 IV ratio in semi-solid slurry preparation of ZL101 hypoeutectic Al-Si alloy by high-energy ultrasonic vibration were explored. The microstructural evolution of semi-solid ZL101 hypoeutectic AlSi alloy solidified in ul
16、trasound field was investigated. It was found that the morphology of primary particles is dominated by the temperature of the ultrasonic vibration applied: the primary grains grow into globular shape when ultrasound is applied from 640; after the ultrasound is applied at 610 (solid fraction 0.1) for 120 s, the originally formed dendrites are granulated; when the ultrasound is applied at 600 (so
