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1、上海交通大学硕士学位论文回转水纺丝工艺及其在铝合金线材制备中的应用姓名：金澜申请学位级别：硕士专业：材料加工工程指导教师：孙宝德20060101上海交通大学硕士学位论文第 I 页回转水纺丝工艺及其在铝合金线材制备中的应用摘回转水纺丝工艺及其在铝合金线材制备中的应用摘 要要回转水纺丝法是快速凝固工艺的一种，该方法可以用于制备具有很高连续性和圆整度的线材，并且能够改善合金微观组织，提高材料的性能。本文中自行设计了回转水纺丝设备，包括喷嘴、旋转水鼓、感应线圈等。并探索了一套与之相适应的纺丝工艺，即在喷射压力为 0.1 MPa，水鼓转速为 300 r/min，喷射角度为 50，喷嘴孔径为 0.2 mm
2、 时，可以得到连续均匀圆整的合金线材。此外，还分析了主要工艺参数对线材连续性和圆整度的影响。并利用该工艺制备了两种线材：Al-1wt.%Si 键合线和 Al-5Ti-1B 晶粒细化剂。对由该工艺得到的直径为 0.2 和 0.3 mm 的 Al-1%Si 键合线细丝的组织进行了观测与分析，发现组成相明显地被细化，其中，细小等轴晶的晶粒尺寸约为 4m，枝晶的二次枝晶臂间距在 4-5 m 之间；-Al 基体中硅颗粒的分布更加均匀，等轴晶内部的硅颗粒尺寸为 300-400 nm，胞晶晶界上分布的硅的尺寸为 10 m 左右。微观组织的改善有利于其进一步拉拔至更细直径的键合线。对由该工艺得到的直径为 0.
3、5 mm 的 Al-5Ti-1B 晶粒细化剂线材的组织进行观察和分析，发现其微观组织有了很大程度的改善，其中 TiAl3粒子的尺寸减小很多，平均约为 5 m，呈短杆状，TiB2颗粒的聚集程度明显降低，两种粒子在基体中的分布都更加均匀。对工业纯铝的细化实验表明，与经超声处理后重熔的中间合金锭相比，制备的 Al-5Ti-1B 合上海交通大学硕士学位论文第 II 页金细丝具有更加优良的晶粒细化效果。关键词：关键词：回转水纺丝法，纺丝工艺，Al-1%Si，Al-5Ti-1B上海交通大学硕士学位论文第 III 页IN-ROTATING-LIQUID SPINNING PROCESS AND ITS AP
4、PLICATION TO Al ALLOY WIRE PREPARATIONABSTRACTIn-rotating-liquid spinning (INROLISP) method is a rapid solidification process. Wire with high continuity and roundness can be obtained by this method, moreover, the wire will also possess improved microstructure and advanced performance. In this paper,
5、 apparatus for INROLISP has been designed, including a nozzle, rotating drum, induction coil, etc. Therewith, appropriate general spinning process has been explored. Continuous, even and round wire can be obtained with process parameters of ejecting pressure 0.1MPa, drum rotating speed 300r/min, eje
6、cting angle 50 and nozzle diameter 0.2mm. Additionally, effect of the chief parameters on the continuity and roundness of wire has also been discussed. Two kinds of wire material have been prepared using the process: Al-1wt.%Si bonding wire and Al-5Ti-1B grain refiner. Through examination, it is fou
7、nd that the constituent phases of Al-1%Si alloy wire of 0.2 and 0.3 mm diameter has been refined obviously. The size of equiaxial crystal is around 4 m, secondary dendrite arm spacing between 4 and 5 m; the distribution of Si particles in the -Al matrix is more homogeneous, the size of Si particle c
8、rystal is 300-400 nm in the equiaxial and about 10 m at the cellular grain boundary. It is found that the microstructure of Al-5Ti-1B grain refiner wire has been improved to a great extent. The size of TiAl3 particle decreases a lot, to 5 m on average，and the shape is short-lever-like. Besides, the
9、degree of assembly of TiB2 reduced distinctively. The distribution of both are more uniformly. Compared with the refiner ingot obtained by remelting after ultrasonic treatment, the prepared Al-5Ti-1B grain refiner wire has better refining performance on industrial purity Al.上海交通大学硕士学位论文第 IV 页Keyword
10、s: in-rotating-liquid spinning, process, Al-1%Si, Al-5Ti-1B上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明，本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：金澜日期：2006 年 2 月 17 日上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或
11、机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密，在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密。（请在以上方框内打“” ）学位论文作者签名：金澜 指导教师签名：孙宝德日期：2006 年 2 月 17 日 日期：2006 年 2 月 17 日上海交通大学硕士学位论文第 1 页第一章 绪论1.1 前言铝是工业应用中仅次于钢铁的第二大金属， 目前全世界原铝的年产量已超过2000万吨。由于具有较高的比强度、良好的抗疲劳性能和成形性能、高耐腐蚀性能和高电导率等优越
12、性能，铝合金已在汽车制造、航空航天、电力、电子电器、建筑、机械、包装等各个工业领域得到了广泛应用。我国工业规模的铝合金的生产中，无论是技术应用、产品质量方面还是新技术开发方面，均与国外存在很大差距，同时，随着包装业及建筑业对铝材需求的迅速增长，铝箔、板带、型材的产量都保持增长势头，而各种后续深加工工艺对铝合金组织提出了更严格的要求。由于金属凝固组织是影响许多性能指标的重要因素，其随后一般的热处理等深加工工艺过程中，基本不改变铸态组织中各相的组成，更不可能降低基体中晶粒的尺寸。而细小的晶粒由于具有更多的晶界，可以很大程度上的提高热处理工艺的效果和效率，比如均匀化退火消除偏析。凝固组织的晶粒越细，
13、材料的机械强度越高，塑性变形就越容易，位错运动的概率就越高。特别是对轧制和挤压铝型材，组织的细化能够显著减少变形产品的表面缺陷，提高表面质量，同时也将大大提高其力学性能。由于晶粒的细化实际是细化了缺陷(缺陷被分割开)，所以晶粒细化的同时使得临界裂纹扩展被减少。同时细化晶粒后产生的晶界强化，是金属强化的主要机制之一。在加工过程中，稳定裂纹不会发生大的扩展，降低了变形抗力，轧制方便，使变形加工更容易了，而且也大大提高了成品率。由此可见，晶粒细化技术在铝加工业中，是提高铝材质量，发展超高强高韧新性铝材，挖掘铝及其合金潜能，提高铝及其合金的使用价值的一个重要途径，具有重要的研究意义。上海交通大学硕士学
14、位论文第 2 页1.2 快速凝固制备线材1.2.1 快速凝固原理1,2快速凝固可分为自由快速凝固和定向快速凝固。在自由快速凝固过程中，液相合金在短时间内获得很大的过冷度而发生大量形核，形核过程成为快速凝固组织关键的控制环节之一。随着形核速率的增大可获得细晶、微晶乃至纳米晶。典型固溶体合金在定向凝固条件下凝固组织及凝固界面形态随凝固速率的变化而变化。在极低速的凝固条件下凝固以平面状的方式进行。随着凝固速率的增大，平面凝固界面失稳而形成胞晶。关于平面界面向胞状界面转变的临界条件（临界生长速率 Rc）可用成分过冷理论，或更精确地用界面动力学理论判断。当生长速率达到一定值时发生胞晶向枝晶的转变，进一步
15、增大生长速率，枝晶生长又将转变为更细的胞晶。由于胞晶与枝晶的界限并不明显，关于胞- 枝转变及枝- 胞转变的条件没有深入的研究。在极高速下生长可再次获得平面凝固界面。在上胞晶和平面凝固区之间处在着一个带状晶区。上胞晶这一理论预言的凝固状态已经在超高温度梯度定向凝固过程中得到确认。凝固过程首先是从液体金属传出热量开始的。虽然深度过冷法也可以获得很大的凝固速率，但是目前主要的快速凝固技术都是通过小尺寸的液态合金和能带走热量的冷却介质之间的紧密接触来实现极快的导热传热。最后问题可以简化及归结为单向传热模型。通过计算得知，影响温度场及冷却速度的最主要因素是：金属/冷却介质界面的状况以及试样金属的厚度。其
16、中，属于物理特性的界面传热系数 h趋于极大时（h=） ，在金属和冷却介质中的温度梯度都较大，界面上无温差存在，这种情况属理想冷却方式。另一方面，但界面传热系数非常小时，在金属和冷却介质的温度梯度都很小，界面上有较大的温差，这种情况属牛顿冷却方式，它完全由界面控制。当界面状况介于上述两者之间时，称为中间冷却方式。在高的固液界面推进速率下的凝固过程，界面上有可能仍保持局部的平衡，也有可能不同程度的偏离平衡。在界面上保持局域平衡的情况下，温度梯度的减小和生长速度的增大发展至一定程度时，平直的界面将因扰动而失稳，由平界面向胞状界面转变。进一步还会发生由胞状界面向树枝状界面的转变。判断平界面向胞状晶甚至树枝状晶的热力学依据是“成分过冷”公式：上海交通大学硕士学位论文第 3 页0LL csD GvT?(1- 1)式中：vcs成分过冷的临界生长速度；GL液相的温度梯度；DL液相的扩散系数；?T0凝固的温度间隔（? T0=mLC0(k0- 1)/k0） ；mL液相线斜率；C0溶质的浓度；k
