强制对流搅拌制备铝合金半固态浆料及其组织演变

采用自主研发的强制对流搅拌装置(FCR),研究筒体温度、浇注温度和搅拌速度对A356铝合金半固态组织的影响规律,探讨半固态浆料制备过程中的凝固行为。结果表明:适当降低浇注温度、筒体温度和提高搅拌速度均有利于半固态浆料组织的改善,能够制备晶粒细小、圆整、分布均匀的半固态组织;当浇注温度为620~630℃、筒体温度为570~580℃、筒体转速为200 r/min以上时,均能获得理想的半固态浆料,其初生固相颗粒平均直径在80μm以下,形状因子在0.75以上;强制对流搅拌装置极大地改变了传统凝固条件下熔体依靠传导单向传热和扩散缓慢传质的状态,使熔体的温度场和成分场趋于一致,破坏了枝晶生长的条件,有利于获得较好的半固态组织。     

熔体浇注温度和板倾斜度对倾斜板制备A356铝合金的凝固和显微组织的影响(英文)

采用倾斜板制备A356铝合金半固态浆料。通过倾斜板底部的逆流水冷却使A356合金熔体在流下倾斜板时发生局部凝固,从而导致在板壁上形成连续柱状枝晶。由于强制对流作用,这些树枝晶被折断成等轴和破碎的晶粒,然后被连续冲洗而在斜板出口形成半固态浆料。熔体浇注温度是影响凝固组织的重要条件,而倾斜度为优质半固态浆料提供必要的剪切作用。将得到的浆料在金属模具中凝固以制备理想显微组织的半固态铸造坯料。然后,通过热处理以提高半固态铸造坯料的表面质量。对半固态铸造和热处理后坯料的显微组织进行分析。研究熔体浇注温度(620,625,630和635°C)和板倾斜度(30°,45°,60°和75°)对斜板制备A356铝合金的凝固和显微组织的影响。结果表明:在625°C的熔体浇注温度和60°斜板倾角时,A356铝合金具有细小和球状的晶粒,是最佳的显微组织。     

剪切低温浇注式半固态浆料制备工艺

半固态浆料直接成形的关键技术之一是如何快速获得与触变成形中重熔加热后相近的半固态组织.根据晶粒游离理论,开发了剪切低温浇注式半固态浆料制备工艺,利用具有特殊热交换条件的转动输送管增强熔体凝固初期的散热和搅拌混合程度,使合金在凝固初期形成快速冷却和较强对流的复合作用,快速散去合金熔体的过热,控制合金熔体的形核与生长.铸造铝合金与锻造铝合金的试验表明,剪切低温浇注工艺可高效地制备优质半固态浆料/坯料,用于浆料直接成形/坯料触变成形.     

强制对流流变成形制备7075铝合金半固态浆料及其数值模拟(英文)

采用自主研发的强制对流流变装置,研究搅拌速度对7075铝合金半固态组织的影响规律。实验结果表明,随着搅拌速度的增加,半固态组织的晶粒尺寸减小,形状因子及粒子数增加。同时,对强制对流流变成形浆料制备过程进行数值模拟,研究熔体在筒体内的流动规律和搅拌速度对合金熔体温度场和固相率的影响。模拟结果表明,合金熔体在FCR筒体内存在复杂的对流运动,熔体对流极大地改变了合金熔体温度场和固相率的分布。增加对流强度有利于减小合金熔体的过冷度梯度和改善初生晶粒的分布。     

高剪切熔体处理下半固态A357合金浆料的组织特征研究

以A357铝合金为试验材料,利用双螺旋流变制浆设备进行了半固态浆料的制备工艺研究。考察了高剪切熔体处理,也即高强度的搅拌剪切和高强度的紊流作用下,搅拌速度和搅拌时间对铝合金非枝晶组织的形成以及组织特征的影响。结果表明:随着搅拌速度的提高,坯料组织中初生α-Al晶粒尺寸减小,形状变得圆整均匀,但是固相体积分数逐渐减小,搅拌速度的增大对球晶的生长起到了抑制作用;熔体在双螺旋设备中的凝固主要经历了连续冷却以及等温剪切两个过程,搅拌时间越长,晶粒越圆整均匀,尺寸越大,但晶粒密度会急剧下降,总的固相分数不会发生明显变化。     

强化冷却搅拌制备A356铝合金半固态组织

针对现有搅拌轴与熔体换热不稳定,通过向搅拌轴内通入冷却水,自主设计了强化冷却搅拌装置,研究了装置的搅拌时间、搅拌速度和冷却条件对A356铝合金半固态微观组织的影响规律和熔体的凝固过程。实验结果表明:搅拌轴对熔体进行冷却和搅拌来提高熔体对流与换热,适当地提高搅拌转速,延长搅拌时间,微观组织逐渐由枝状晶转为球状晶,形貌变得越来越圆整;水冷却叠加搅拌促进了搅拌轴的散热,有利于熔体更快地降温,获得更大的过冷度,从而提高晶粒数量,改善晶粒形貌。     

导流器在AZ91D镁合金半固态组织形成中的作用

采用新型的自孕育法制备AZ91D镁合金半固态浆料,研究了导流器在半固态组织形成中的作用.结果表明,合金熔体加入孕育剂并经导流器浇注后,导流器吸收大量过热,使合金温度迅速降低至液相线附近;合金液在导流器表面流动时,导流器促进了熔体中非均质形核及游离晶粒的产生,使合金凝固时晶粒增殖.导流器表面凝固组织从上至下依次为树枝晶、细小树枝晶、等轴晶;倾斜角度影响合金流动方式及传热效果,角度过大和过小均不利于晶粒增殖,角度为45°时冷却效果和剪切作用最佳,此时合金有效形核数量最多,半固态浆料组织初生相细小且分布均匀.     

电脉冲工艺参数对AlSi7Mg合金凝固组织的影响

获得一种在液态金属母液中均匀地悬浮着一定球状初生固相的非枝晶浆料是半固态金属加工的基础和关键。为了达到这一目的，在不同电脉冲参数下对合金熔体进行电脉冲孕育处理。结果表明：通过电脉冲孕育处理将AlSi7Mg合金凝固组织中的初生相由发达的枝晶转变成了蔷薇晶和近球形晶粒：脉冲频率和脉冲时间对合金凝固组织的影响规律相一致，即随着脉冲时间的延长和脉冲频率的增加，合金的凝固组织逐渐得到改善；但当脉冲时间过长和脉冲频率过大时，导致合金凝固过程中的形核率降低，使合金的凝固组织不理想。从而揭示了只有在合适的熔体处理温度及脉冲工艺参数作用下，才可以获得理想的AlSi7Mg合金凝固组织。     

局部强冷超声介入法半固态制浆机理

提出一种半固态制浆的新方法即局部强冷超声均匀法。以镁合金AZ91D为实验材料,采用正交实验法,结合凝固组织形成非枝晶及细晶组织的机理,研究在间隙式局部强冷和超声介入条件下半固态制浆的效果和相关因素对其的影响,结果表明,在局部强冷及超声介入条件下,熔体中能发生大量非自发形核,并且以球状方式生长;浇注温度为620℃、超声功率为600W时,分别在弱、中和强喷雾条件下,可获得5℃~25℃的过冷度,制备出初生相α晶粒等效圆直径为27μm~48μm、晶粒形状因子约为1.46的半固态浆料。其中中等喷雾条件下,实验结果最优。该方法为解决熔体均匀过冷形核和非枝晶生长提供了一种新的视角。     

导流器对自孕育铸造法制备AM60镁合金半固态浆料的影响(Ⅲ)

采用自孕育铸造法制备AM60镁合金半固态坯料,研究导流器参数对半固态组织的影响规律及组织形成机理。结果表明:导流器能有效促进合金组织由树枝晶向等轴晶及颗粒状晶的转变;熔体处理温度和孕育剂加入量一定时,导流器的相关参数,如角度、长度、温度、混合段的凹槽宽度,均影响合金的传热及流动,进而影响其凝固组织;在导流器角度为30°～45°、长度为500 mm、混合段凹槽宽度为50 mm、且通水冷却时可以获得细小颗粒状或蔷薇状的半固态坯料,初生α-Mg的平均晶粒尺寸为37.5μm;减小导流器出口宽度有利于增强液体紊流,促进晶粒均匀分布;导流器促进了熔体非均质形核及激冷晶的形成,增强了晶粒增殖;熔体对流使合金的温度场和浓度场更均匀,晶粒生长以颗粒状生长、蔷薇晶根部颈缩熔断和磨圆熟化机制为主。     

半固态金属材料的制备技术及应用

半固态金属成形技术的关键是制备非枝晶结构的半固态金属材料。本文论述了半固态金属材料制备工艺的基本原理与特点 ,介绍了半固态金属材料制备技术的现状与发展概况 ,并展望了半固态金属材料制备技术在我国应用的前景和意义     

变质剂对ZA27合金半固态等温热处理组织的影响

研究了变质剂Ti、B－Ti及Zr对ZA27合金铸态组织和半固态等温热处理组织的影响。结果表明：Zr的变质效果最好,下来依次是B－Ti,Ti经半固态等温热处理后都可获得触变成形所需的半固态非枝晶组织、但变质组织越细,越易获得良好的非枝晶组织,变质效果越差,需要热处理的时间越长或温度越高。     

半固态金属触变性质及应用新进展

简述了非枝晶结构半固态金属的触变行为并详细讨论了固相颗粒网状结构形成和破坏的原理。触变行为的流变学模型主要包括了依时行为模型和Kumar流变学模型。并给出了描述表象模型的状态方程和动力学方程。对网状组织的形成和破坏函数进行了说明 ,进而讨论了剪切力对固液两相的作用力。对非枝晶半固态金属触变成形的应用现状和最新进展进行了综合评述     

半固态金属触变性质及应用新进展

简述了非枝晶结构半固态金属的触变行为并详细讲座了固相颗粒网状结构形成和破坏的原理，触变行为的流变学模型主要包括了依时行为模型和Kumar流变学模型。并给出了描述表象模型的状态方程和动力学方程，对网状组织的形成和破坏函数进行了说明，进而讲座了剪切力对固液两相的作用力，对非枝晶半因态金属为形成的应用现状和最新进展进行了综合评述。     

Dendrite growth morphologies in aluminium alloys

Different aluminium alloys, in particular Al–Cu, Al–Mg and Al–Si, have been directionally solidified under well-controlled thermal and convection conditions. For relatively high solidification rates, particular growth morphologies were observed. The most common is linked with the formation of feathery grains: these are constituted by series of twinned lamellae, in which the dendrites have 110 trunks cut through by {111} twin planes. These grains undergo a selection mechanism which is similar to that occurring for regular 100 dendritic grains. The dendritic growth along 110 crystallographic directions is supposed to be due to a change in the anisotropy of certain properties of the alloy, such as the solid/liquid interfacial energy and/or the atom attachment kinetics. When solidification conditions become less favourable to 110 growth morphologies, a mixed dendritic form containing 110 trunks and 100 arms may be obtained. In the case of the 5182 Al–Mg type alloy, 110 columnar grains which were not twinned could be observed together with feathery crystals. The possibility of such changes in the growth direction of aluminium alloys was further demonstrated by the observation of dendrites of Al–Cu–Mg solidified in a Bridgman device. In this case, 112 dendrites grow and progressively change their growth direction, thus showing curved shapes.     

Direct Numerical Simulation of Solid Deformation During Dendritic Solidification

Deformation of the semisolid mush during solidification is a common phenomenon in metal casting and can lead to defects such as hot tears, macrosegregation, and porosity. The morphology of the solidifying mush, including the shape of the dendrites and the distribution of grain boundaries, plays a key role in determining its mechanical behavior. In the current study, a polycrystalline phase-field model is combined with a material point method stress analysis to numerically simulate the fully coupled dendritic solidification and elasto-viscoplastic deformation behavior of a pure substance in two dimensions. It is shown that solid compressive and shear deformations result in variations in the crystallographic orientation angle within a single dendrite that, in turn, affect the subsequent solidification behavior. Shearing of a dendritic structure occurs primarily in relatively narrow bands near or inside the grain boundaries or the thin junctions between different dendrite arms. The deformations can cause the formation of low-angle tilt grain boundaries inside of individual dendrite arms. In addition, grain boundaries form when different arms of a deformed single dendrite impinge. During compression of a high-solid-fraction dendritic structure, the deformations are limited to a relatively thin layer along the compressing boundary. The compression causes consolidation of this layer into a fully solid structure that consists of numerous subgrains.     

NUMERICAL SIMULATION OF ALLOY SOLIDIFICATION BY A TWO－PHASE MODEL

本文介绍了合金凝固传输过程中的二相流数学模型．该模型描述了固－液界面的传输现象和液相对流对宏观偏析的影响，并考虑了生核过程，热和溶质的过冷效应，及固相颗粒的宏观运动，从而把宏观传输过程和微观结构结合起来．采用该模型，对Ａｌ－４％Ｃｕ等轴晶合金的凝固进行了完整的数值模拟．     

Simulation of solid deformation during solidification: Shearing and compression of polycrystalline structures

Deformation of the semi-solid mush during solidification is a common phenomenon in metal casting. At relatively high fractions of solid, grain boundaries play a key role in determining the mechanical behavior of solidifying structures, but little is known about the interplay between solidification and deformation. In the present study, a polycrystalline phase-field model is combined with a material point method stress analysis to numerically simulate the coupled solidification and elasto-viscoplastic deformation behavior of a pure substance in two dimensions. It is shown that shearing of a semi-solid structure occurs primarily in relatively narrow bands near or inside the grain boundaries or in the thin junctions between different dendrite arms. The deformations can cause the formation of low-angle tilt grain boundaries inside individual dendrite arms. In addition, grain boundaries form when different arms of a deformed single dendrite impinge. During compression of a high-solid fraction dendritic structure, the deformations are limited to a relatively thin layer along the compressing boundary. The compression causes consolidation of this layer into a fully solid structure that consists of numerous sub-grains. It is recommended that an improved model be developed for the variation of the mechanical properties inside grain boundaries.     

半固态金属加工技术研究现状与应用

半固态金属加工 (Semi SolidMetalProcessorSemi SolidMetalForming,简称SSM)是近年来金属加工技术研究的热点。总结了半固态金属成形的组织演变、流变行为以及坯料制备和成形工艺等方面理论与应用研究成果 ;对半固态成形技术的发展现状与趋势进行了分析和讨论 ;并从经济和市场需求角度分析半固态成形技术成本问题。介绍了半固态成形技术的应用范围 ,指出了半固态技术在汽车领域应用的广阔前景     

一种改进的模拟凝固微观组织的宏微观耦合模型

按照复杂性研究思想，将元胞自动机理论和金属凝固理论相结合，建立了模拟凝固微观组织演变的宏微观耦合模型Micros CA-Solidification。与原有元胞自动机模型相比，该模型考虑了溶质再分配和液相中溶质扩散机制，考虑了成分过冷、曲率过冷及界面各向异性对枝晶尖端局部过冷度和界面平衡温度的影响，可较细致地模拟晶粒的结构和形态转变。