双向电磁搅拌下半固态A356-RE合金浆料的制备

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凝固组织形貌和尺寸的有效控制是制备合金浆料的关键环节,也是半固态加工领域不断追求的目标,同时又是材料科学研究和工程应用中的核心内容。因此,有效控制材料的凝固进程从而获得高品质浆料对于半固态加工具有重要的意义。半固态加工作为新兴材料加工技术具有显著的特点:近净成形、高效节能和清洁环保,被誉为21世纪“绿色”材料加工技术。本文立足于高性能半固态铝合金浆料制备这一基本点,利用半固态加工技术(SSM)和磁流体力学(MHD)结合形成的材料电磁加工技术及稀土元素复合作用于铝合金的凝固过程。研究电磁场和稀土元素复合作用下铝合金凝固组织演化和性能优化规律,主要研究内容与结果简要概括如下:1、利用双向电磁搅拌并结合稀土元素作用于A356铝合金的凝固过程,研究磁场频率(10、20、30、40Hz)、电磁搅拌方式以及稀土(0%RE、0.5%Ce和0.3%La+0.2%Yb)对初生相α-Al晶粒尺寸、形貌及分形维数的影响。结果表明:30Hz是获取尺寸细小、形貌圆整的初生相较为合适的电磁频率,且在30Hz双向连续搅拌及混合稀土复合作用下初生相的尺寸细小、形貌圆整。其平均等积圆直径为36.4μm,形状因子为0.82,分形维数为1.3133。2、研究和分析双向连续电磁搅拌下磁场频率(5、15、25、35Hz)对合金铸锭径向不同位置(0R、0.7R、1R)凝固组织及稀土元素La沿径向分布规律的影响。结果表明:频率增加,初生相的尺寸逐渐细化和球化;稀土元素形态由针状向点状演化。在25Hz、0.7R处初生相的尺寸最细小圆整,其平均等积圆直径达到36.2μm形状因子为0.83;稀土元素La呈细点状弥散分布。3、采用双向间歇电磁搅拌技术制备半固态A356-Ce合金浆料。研究磁场频率(10、20、30、40Hz)、间歇时间(0、1、3、5s)对凝固组织和力学性能的影响。结果表明:30Hz、间歇时间3s条件下初生相细化球化程度较大。其平均等积初圆直径为35.2μm形状因子为0.81。另外,利用SEM研究30Hz单向连续搅拌、30Hz双向间歇3s搅拌以及常规铸造时合金的拉伸性能与断口形貌特征。发现30Hz双向间歇3s搅拌下合金的抗拉强度和塑性显著增强,断裂方式由脆性断裂过渡为脆性断裂和韧性断裂的混合方式。4、结合双向电磁搅拌和等温保温技术,提出了一种复合浆料制备新工艺:双向连续电磁搅拌+等温热处理。分析了新工艺制备浆料时,30Hz双向连续电磁搅拌后等温温度580~610℃、等温时间3~15min对凝固组织的影响。结果表明,随着温度升高、时间延长,初生相逐渐细化球化,在600℃、7min热处理条件下初生相的尺寸细化和球化程度最佳,其平均等积圆直径为29.4μm,形状因子为0.86。本文的创新之处:探讨了双向电磁搅拌与稀土元素复合作用下铝合金凝固组织演化规律,分析了不同搅拌方式下金属液的流动规律以及稀土元素在合金中的存在形式和分布规律;另外,基于分形理论对不规则图形或对象独特的表征能力,采用分形维数对初生相α-Al的晶粒尺寸细化和形貌圆整程度进行定量表征,为联系组织与性能这两个表征材料性质的指标构建了间接“桥梁”。
摘要第3-5页
Abstract第5-6页
第一章 绪论第10-22页
    1.1 本文研究的目的和意义第10-11页
    1.2 半固态加工技术概述第11-13页
        1.2.1 半固态加工技术简介、应用和发展第11-12页
        1.2.2 半固态加工技术的特点第12-13页
    1.3 半固态浆料制备及熔体流动对凝固组织的影响第13-17页
        1.3.1 半固态浆料制备方法第13-14页
        1.3.2 电磁搅拌及其模拟技术在浆料制备中的应用第14-15页
        1.3.3 稀土元素在半固态浆料制备中的应用第15-17页
        1.3.4 熔体流动对凝固组织的影响第17页
    1.4 分形理论简介及其在材料科学中的应用第17-19页
        1.4.1 分形理论简介第17-18页
        1.4.2 分形理论在材料科学中的应用第18-19页
    1.5 半固态浆料中初生晶粒组织的评定第19-20页
    1.6 本课题主要研究内容第20-22页
第二章 试验材料、设备和方案第22-28页
    2.1 试验材料第22-23页
        2.1.1 试验用合金材料的选择第22页
        2.1.2 稀土元素和除气精炼材料的选择第22-23页
    2.2 试验设备第23页
    2.3 试验方案第23-27页
        2.3.1 试验一:电磁场下稀土对A356铝合金凝固组织及分形维数的影响第23-24页
        2.3.2 试验二:电磁场下A356-La合金径向凝固组织形貌及稀土元素分布第24-25页
        2.3.3 试验三:双向间歇电磁搅拌对A356-Ce合金凝固组织和性能的影响第25-26页
        2.3.4 试验四:双向电磁搅拌+等温热处理制备半固态A356铝合金浆料第26-27页
    2.4 试样制取和分析检测第27-28页
第三章 双向电磁搅拌下稀土对A356铝合金凝固组织及其分形维数的影响第28-37页
    3.1 引言第28页
    3.2 试验过程第28页
    3.3 结果与分析第28-34页
        3.3.1 磁场频率对铝-稀土合金凝固组织的影响第28-30页
        3.3.2 熔体搅拌方式对合金凝固组织的影响第30页
        3.3.3 熔体搅拌方式对凝固组织形貌分形维数的影响第30-32页
        3.3.4 双向连续电磁搅拌下稀土元素对凝固组织的影响第32-34页
    3.4 讨论第34-36页
        3.4.1 双向电磁搅拌对凝固组织细化的影响第34页
        3.4.2 双向电磁搅拌对凝固组织形貌分形维数的影响第34-35页
        3.4.3 双向电磁搅拌下稀土对凝固组织的影响第35-36页
    3.5 本章小结第36-37页
第四章 电磁场下A356-La合金径向凝固组织形貌及稀土元素分布第37-44页
    4.1 引言第37页
    4.2 试验过程第37页
    4.3 结果与分析第37-42页
        4.3.1 磁场频率对A356-La合金铸锭径向凝固组织的影响第37-39页
        4.3.2 磁场频率对合金铸锭径向稀土元素分布和形态的影响第39-41页
        4.3.3 熔体搅拌方式对合金铸锭径向0.7R处凝固组织的影响第41-42页
    4.4 讨论第42-43页
        4.4.1 集肤效应对合金铸锭径向凝固组织的影响第42-43页
        4.4.2 双向电磁搅拌下稀土元素迁移分布规律第43页
    4.5 本章小结第43-44页
第五章 双向间歇电磁搅拌对半固态A356-Ce合金凝固组织和力学性能的影响第44-49页
    5.1 引言第44页
    5.2 试验过程第44页
    5.3 结果与分析第44-47页
        5.3.1 双向间歇搅拌磁场频率对凝固组织的影响第44-45页
        5.3.2 双向间歇搅拌间歇时间对凝固组织的影响第45-46页
        5.3.3 合金铸锭室温拉伸性能与断口形貌特征第46-47页
    5.4 讨论第47-48页
    5.5 本章小结第48-49页
第六章 双向电磁搅拌+等温热处理制备半固态A356铝合金浆料第49-54页
    6.1 引言第49页
    6.2 试验过程第49页
    6.3 试验结果第49-52页
        6.3.1 双向连续电磁搅拌无等温处理下凝固组织的形貌第49-50页
        6.3.2 双向连续电磁搅拌下等温温度对凝固组织的影响第50-51页
        6.3.3 双向连续电磁搅拌下等温时间对凝固组织的影响第51-52页
    6.4 分析与讨论第52-53页
        6.4.1 双向连续电磁搅拌下等温温度对初生相形貌的影响第52-53页
        6.4.2 双向连续电磁搅拌下等温时间对初生相形貌的影响第53页
    6.5 本章小结第53-54页
第七章 结论与展望第54-56页
参考文献第56-63页
致谢第63-64页
攻读学位期间的研究成果第64-65页
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