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1、挤压铸造发展趋势,半固态A356 铝合金流变挤压铸造工艺,这篇文章主要研究剪切低温浇注式半固态浆料制备工艺，通过在半固态浆料的制备阶段对浆料质量（固相的形态、尺寸、数量和分布）进行控制，希望得到可以连续地提供高效、优质和低成本的半固态浆料的制浆工艺。,半固态A356 铝合金流变挤压铸造工艺,一、试验材料 试验以ZL101 铸造铝合金和工业纯铝为原料, 在613 kW 电阻式加热炉内进行合金熔炼,获得A356 合金, 其化学成分见表1 。 表1 试验用A356 铝合金的化学成分% 该合金的液相线温度为614, 固相线温度为572 。,二、实验方法 1.制浆工艺 剪切低温浇注式半固态浆料制备工艺(
2、LSPSF)，主要工艺流程见图1。 图1 LSPSF 制浆工艺流程,半固态A356 铝合金流变挤压铸造工艺,半固态A356 铝合金流变挤压铸造工艺,挤压铸件尺寸见图3 ,铸件下段带有锥度,试验模具为凹模下推式活塞推结构。 图3 零件图,半固态A356 铝合金流变挤压铸造工艺,从浇注到加压时间间隔不超过3 s ,以避免金属液在加压前发生凝固。 三、试验结果与讨论 图4 半固态铝合金A356 的微观组织形貌,半固态A356 铝合金流变挤压铸造工艺,(a) 成形件实物图 (b) 侧部显微组织 (c) 中部显微组织 (d) 底部显微组织 图5 成形件实物图及显微组织图,挤压铸造AZ81E镁合金固溶处理
3、后的组织和性能,在铸造镁合金组织-Mg 晶界处分布有连续网状的Mg17Al12铝镁金属间化合物（相），会在变形过程中破裂形成裂纹源，固溶处理可以消除偏析,将第二相溶入基体，改善合金的显微组织，提高合金的力学性能。,挤压铸造AZ81E镁合金固溶处理后的组织和性能,一 、试样制备与实验方法 试样材料为市售AZ81E 镁合金, 其化学成分见表2 。 表2 试验用A356 铝合金的化学成分% 采用DH XV350CL-T型卧室挤压铸造机制备试样。 采用ASTM（B557M）标准和差示扫描量热法测定镁合金的DTA曲线（如图6）。,挤压铸造AZ81E镁合金固溶处理后的组织和性能,图6 挤压铸造AZ81E
4、镁合金的DTA 曲线,挤压铸造AZ81E镁合金固溶处理后的组织和性能,二、试验结果与讨论 1.固溶处理对显微组织的影响 ( a) 铸态 ( b) 380 ( c) 400 ( d) 420 图7 铸态及不同温度固溶8 h 后AZ81E 镁合金的显微组织,挤压铸造AZ81E镁合金固溶处理后的组织和性能,( a) 2 h ( b) 8 h ( c) 12 h ( d) 16 h 图8 400固溶不同时间后AZ81E 镁合金的SEM形貌,挤压铸造AZ81E镁合金固溶处理后的组织和性能,( a) 2 h ( b) 8 h 图9 400固溶不同时间后AZ81E镁合金的XRD 谱,挤压铸造AZ81E镁合金
5、固溶处理后的组织和性能,2.固溶处理对力学性能的影响 图10 合金在不同温度固溶后硬度与时间的关系,挤压铸造AZ81E镁合金固溶处理后的组织和性能,图11 铸态及400固溶不同时间后AZ81E 镁合金的室温拉伸性能,半固态挤压铸造镁合金坯料组织与性能研究,这篇文章采用双螺杆机械搅拌法制备半固态镁合金浆料，尔后经挤压铸造制备半固态坯料。考虑到挤压成形过程中各处压力传递的不均匀性，考察了坯料不同部位的组织、密度和硬度，并与液态挤压铸造试样的组织与性能进行了比较。,半固态挤压铸造镁合金坯料组织与性能研究,一、试验材料及方法 1.试验材料 试验中选择AZ91D 合金，其合金成分见表3。其液相线温度为5
6、95，固相线温度为468。 表3 AZ91D 镁合金的化学成分% 2.试验过程 试棒尺寸为直径50 mm、高度约120 mm。镁合金挤压成形时料筒预热温度为250 300。,半固态挤压铸造镁合金坯料组织与性能研究,三、试验结果与讨论 ( a ) 上部边缘 ( b ) 上部中心 ( c ) 中部边缘 ( d ) 中部中心 图12 镁合金液态挤压成形显微组织,半固态挤压铸造镁合金坯料组织与性能研究,( a ) 上部边缘 ( b ) 上部中心 ( c ) 中部边缘 ( d ) 中部中心 图13 镁合金半固态流变挤压成形显微组织,半固态挤压铸造镁合金坯料组织与性能研究,( a) 密度 ( b) 硬度
7、图14 不同铸造工艺条件下AZ91D 镁合金试样的密度与硬度 A. 镁合金锭 B. 液态挤压铸造成形 C. 半固态挤压铸造成形,基于FDM/FEM的镁合金挤压铸造温度场数值模拟,到目前为止，国内常见的温度场/应力场计算过程通常是一个单向过程，即没有考虑应力场对温度场计算的影响。为实现对镁合金挤压铸造温度场变化过程的数值模拟，考虑应力场对温度场计算的影响，并解决有限元网格剖分困难的问题，建立了一种新的FDM/FEM计算模型。,基于FDM/FEM的镁合金挤压铸造温度场数值模拟,一、传热模型及其求解 1.数学模型 挤压铸造中，铸件的凝固传热属于有内热源的瞬态传热问题，对于挤压铸件凝固过程中的潜热释放
8、，本文采用等效比热法进行处理，经过推导其控制方程为： （1） 其中：,基于FDM/FEM的镁合金挤压铸造温度场数值模拟,2.传热模型的有限差分（FDM）求解 这篇文章以式（1）为基础，根据交替隐式算法（ADI），提出了一种新的高阶紧致的三维导热偏微分方程有限差分格式，其空间为四阶计算精度、时间为二阶计算精度，且为无条件稳定。 新高阶导热偏微分方程计算模型：,基于FDM/FEM的镁合金挤压铸造温度场数值模拟,二、应力模型及求解方法 凝固过程中型腔内金属的力学行为十分复杂，在试验中，采用热粘弹塑性本构模型来描述其力学行为，根据增量原理采用有限元进行求解，得到应力场的有限元方程： KU=Fth+Fi
9、n。 （5）,基于FDM/FEM的镁合金挤压铸造温度场数值模拟,三、挤压铸造温度场计算模型 图15 挤压铸造温度场计算模型流程图,基于FDM/FEM的镁合金挤压铸造温度场数值模拟,四、模拟结果与分析 实验及数据采集装置，见图16。 图16 实验及数据采集装置 实验铸件为一简单圆柱体实验件，底部直径102mm，高80mm，采用Pro/E 构建三维实体模型。铸件材质为镁,基于FDM/FEM的镁合金挤压铸造温度场数值模拟,合金AM50A，其在0MPa时固相线温度为557 、液相线温度为625.13 。实验过程包括：将液态金属浇入压套中，锁紧模具，冲头由下向上运动使金属液充满型腔，并在铸件凝固过程中一直保持压力作用，铸件完全凝固后，撤去外压力并顶出铸件。实验施加的压力为30，60，90 MPa，浇注温度场为690 ，铸型和冲头温度均为250 。 施加压力为30，60，90 MPa，凝固质量分数为15%，55%，75%，95%，100%，数值模拟结果，见表4。 表4 凝固所需时间的数值模拟结果 s,基于FDM/FEM的镁合金挤压铸造温度场数值模拟,图17 温度场数值模拟结果（90MPa）,基于FDM/FEM的镁合金挤压铸造温度场数值模拟,图18 铸件中心位置的温度变化（90MPa）,
