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铝合金半固态触变成形技术及其仿真研究

张恒华

  由于金属半固态成形技术具有组织致密、夹气少,性能优异、且属于近终型成形,因此该技术在许多工业,尤其是在汽车工业具有广泛的应用前景。同时金属半固态成形技术又是一门跨传热学、流体力学,材料力学以及计算数学等多学科的材料加工制备的先进技术,因而具有较高的理论研究价值。铝合金半固态成形件由于具有重量轻,比强度高,且可回收利用的优点,因此是研究最为广泛的半固态成形金属材料。铝合金半固态触变成形技术要求坯料加热速度快、氧化少、加热温度场精度及其均匀性高(一般应小于±3℃),同时还要求半固态坯料中初生α-Al晶粒既细小,又圆整,因此只有应用合理工艺及其参数的感应加热方法才能胜任,为此本论文首先应用有限元模拟,并结合150KW,12工位,8线圈,中频旋转式感应设备的加热试验及其温度场的测试,对影响铝合金坯料感应加热温度场的工艺参数:加热功率、频率,加热时间、保温时间以及试样的尺寸等进行了详细的研究;应用定量金相法、差热扫描法(DSC)和计算机热力学计算法等对半固态坯料中的固相含量进行定量研究;结合自编的图像软件对铝合金感应加热组织中初生α-Al晶粒的长大和球化等演变规律进行了测定与分析,从这些研究结果中得出合理的铝合金半固态感应加热工艺及其参数。接着应用同轴圆筒法对不同冷却速度下铝合金半固态料浆的粘度变化规律进行测定与分析,然后应用有限元仿真,并结合实际试验对半固态压铸模具的特性,尤其是内浇口的尺寸与形状等进行系统研究,在得出相关规律的基础上,应用改进的500T卧式冷室压铸机对影响铝合金半固态压铸件组织性能的工艺参数:压射压力、压铸速度、建压时间、坯料加热温度、模具预热温度以及脱模剂等进行了全面研究,并结合扫描电镜断口分析,探讨相关断裂机理。对A356铝合金半固态压铸件进行系列的固溶与时效热处理,应用定量金相法,透射电镜的衍射分析等分析与探讨了铝合金半固态压铸件的热处理强化机理,以及性能优于液态压铸件的原因。在以上实验的基础上,对铝合金半固态压铸复杂汽车零件(后桥支承座和内套等)的模具浇道系统特性进行计算机仿真研究,并结合实际的半固态压铸试验,批量制备出相应的零件,最后进行组织性能的测试以及相关汽车厂家的疲劳台架试验。由以上实验可得到以下一些重要结论。2003年上海大学博士学位论文1.应用改进的商业ANSYS有限元软件对坯料感应加热温度场的模拟表明,采用本文提出的模型及相关导出参数,可以较精确模拟出不同种类、不同尺寸铝合金坯料的感应加热温度场,因此借助计算机有限元的模拟,可以更加简便地得出合理的铝合金半固态感应加热工艺及其参数。2.应用多线圈中频感应设备加热铝合金坯料,具有比单线圈感应加热更好的温度均匀性,并且通过调整感应加热工艺及其参数,可以使不同种类、不同尺寸的铝合金坯料的加热温度场,满足半固态触变成形技术的苛刻要求,即具有较理想的固液两相之比以及初生相的组织形貌等。3.A356铝合金非枝晶在感应加热保温时,随着加热温度的升高和保温时间的延长,初生a一A1晶粒不断长大,但晶粒未经球化,即初生a一A1晶粒的圆整度并未提高。在半固态区加热保温时,初生a一A1晶粒的长大速度要显著高于在固相区的晶粒长大速度。初生a一A1晶粒在不同感应加热温度下的长大规律均符合奥斯瓦尔德的熟化关系式(D“一粼=kt),具体为:540 OC:DZ·74一9.722,74=0.72t560oC:DZ·68一10.672石8=2.90r580oC:DZ,!8一27,882」8=5.36t600oC:DZ月6一30.932,6=153.58t其中,D:t时刻的晶粒直径(单位林m):t:保温时间(单位s)。4.在给定剪切速率作用下,A356铝合金半固态料浆的表观粘度随着连续冷却速度的提高而增大,并且具有较明显的触变特性,即表观粘度随剪切时间的延长而减小。在半固态区域,当冷却速度范围在0.5一ZOoC/min,剪切速率约为405“,时,其粘度范围大约在0.1一IOPa一之间。5.仿真及实验结果表明:金属半固态压铸模具的特性,尤其是内浇口的特性,与液态压铸模具存在较大的差异。对于铝合金半固态压铸来讲,其内浇口的尺寸要明显大于液态压铸的尺寸,但也不是越大越好,即需有一适中的范围,而且其形状要尽量与入口处的型腔一致。6.铝合金半固态压铸实验结果表明,随着压射压力增大,压铸件力学性能提高,2003年上海大学博士学位论文但当压射压力大于100MPa,其性能变化不明显。压铸速度过大或过小,以及坯料的加热温度过高或过低,均对压铸件性能有害。另外建压时间、模具预热温度以及脱模剂等也对半固态压铸件性能具有很大的影响。7.对A356铝合金半固态压铸件进行固溶处理,如果固溶温度过低(约为380~4O0oC以下),则基体过饱和度不高,因而在随后时效过程中难以析出GP区及第二相等,加上压铸件中原有的GP区在固溶过程中会溶解,因此其强硬度下降,塑性则明显提高。相反,如果固溶温度提高及固溶时间延长,则基体的过饱和固溶度开始不断提高,在随后的……   
[关键词]:铝合金;感应加热及其温度场;粘度;有限元仿真;半固态触变成形;工艺参数;组织性能;固溶时效
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:上海大学2004年
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