高性能Al-Si-Cu-Mg合金的优化设计研究

论文摘要

本文以设计高性能半固态Al-Si-Cu-Mg系合金作为研究目标,根据半固态合金的性能要求,参考合金元素和晶粒尺寸对合金凝固组织的影响,确定高强度高韧性合金的成分配比：Si含量小于12.6%,Cu的含量小于5.65%,Mg含量在1%以内。对于不同Si、Cu和Mg含量的铝合金,采用多尺度数值模拟方法,研究了近液相线半连续铸造过程中的微观组织演变,为半固态Al-Si-Cu-Mg合金的优化设计提供理论依据。利用Thermo-Calc软件计算了合金的热力学参数,根据Al-Si-Cu-Mg合金近液相线半连续铸造的特点,建立了描述半连续铸造过程的温度场模型、浓度场模型以及形核与长大模型,通过宏观和微观尺度上的耦合计算,实现了宏观传热、传质与微观晶粒形核、生长及组织演变的模拟。本文模拟了Al-Si-Cu-Mg合金在不同的合金成分、浇注温度和浇铸速度下,对合金微观组织的影响,得到了组织演变与合金成分及工艺条件之间的关系,进而获得适合半固态加工的最佳合金成分和最优工艺条件。模拟研究发现：相对于常规铸造,液相线半连续铸造得到的铸态组织晶粒均匀细小,浇铸温度越低,组织越理想；铸造速度对合金的微观组织影响也较大,铸造速度大,晶粒比较粗大,降低铸造速度有利于均匀细小球形晶粒的形成,并且在0.002m／s左右时,微观组织最为理想；在针对不同合金成分下的微观组织的研究中,Si含量在7%左右时,Cu含量在3%～4%左右时,Mg含量在0.4%-0.8%时,得到的凝固组织均匀细小,晶粒圆度最高,平均尺寸最小,合金力学性能也最为理想,这与实验结果吻合。设计的Al-7%Si-4%Cu-0.6%Mg合金与ZL107工业合金相近,因此其性能优于常规铸造的ZL107工业合金,预测其抗拉强度在320-450MPa以上,伸长率在3%～4.5%左右,硬度HBS值在105HB以上。通过本文对Al-Si-Cu-Mg合金的研究可以发现,多尺度数值模拟是进行合金设计和工艺优化的一个有效方法,这为半固态铝合金设计开辟了一个新的思路。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 半固态成形技术
• 1.1.1 半固态成形技术简介
• 1.1.2 半固态浆料制备技术
• 1.1.3 近液相线半连续铸造技术
• 1.2 半固态成形铝合金
• 1.2.1 铝合金概况
• 1.2.2 铝合金强化途径
• 1.2.3 铝合金半固态成形特点及现状
• 1.3 半固态铝合金凝固组织的多尺度模拟
• 1.3.1 凝固过程宏观模拟
• 1.3.1.1 温度场模拟
• 1.3.2 凝固过程微观模拟
• 1.3.2.1 模拟方法
• 1.3.2.2 形核模型
• 1.3.2.3 生长模型
• 1.4 本文研究的内容及意义
• 1.4.1 本文的研究内容
• 1.4.2 本文的研究意义
• 第2章 Al-Si-Cu-Mg半固态合金设计
• 2.1 Al-Si-Cu-Mg合金的组织性能
• 2.1.1 铸造Al-Si-Cu-Mg系合金
• 2.1.2 变形Al-Si-Cu-Mg系合金
• 2.2 Al-Si-Cu-Mg合金设计方法
• 2.2.1 主要合金元素对Al-Si-Cu-Mg合金的影响
• 2.2.1.1 Si含量与合金性能
• 2.2.1.2 Cu、Mg含量与合金性能
• 2.2.1.3 Si、Cu、Mg含量对合金性能影响的比较
• 2.2.2 晶粒尺寸对合金性能的影响
• 2.2.3 Al-Si-Cu-Mg半固态合金设计原则
• 2.3 Al-Si-Cu-Mg半固态合金设计方案
• 2.4 高性能Al-Si-Cu-Mg合金成分设计
• 2.4.1 高强高韧Al-Si-Cu-Mg合金成分
• 2.4.2 高耐磨耐蚀Al-Si-Cu-Mg合金成分
• 2.4.3 高综合性能Al-Si-Cu-Mg合金成分
• 第3章 凝固组织模拟的理论模型
• 3.1 温度场模型
• 3.1.1 传热方程
• 3.1.2 边界条件
• 3.2 浓度场模型
• 3.2.1 扩散方程
• 3.2.2 扩散系数
• 3.2.3 边界条件
• 3.3 形核模型
• 3.4 生长模型
• 3.4.1 界面生长速率
• 3.4.2 固相率的增量
• 3.5 元胞模型的转换规则
• 第4章 Al-Si-Cu-Mg合金组织模拟及其成分和工艺优化
• 4.1 多尺度模拟成分点的选取
• 4.2 Al-Si-Cu-Mg合金的半固态设计要求
• 4.2.1 Al-Si-Cu-Mg合金的凝固区间
• 4.2.2 Al-Si-Cu-Mg合金固相率对温度的灵敏度
• 4.2.3 Al-Si-Cu-Mg合金生成相的比例
• 4.3 Al-Si-Cu-Mg合金凝固组织模拟
• 4.3.1 温度场模拟
• 4.3.2 晶粒形核模拟
• 4.3.3 晶粒生长模拟
• 4.3.4 模拟、实验结果对比
• 4.3.5 浇铸温度对凝固组织的影响
• 4.3.6 浇铸速度对凝固组织的影响
• 4.3.7 Si含量对凝固组织的影响
• 4.3.8 Cu含量对凝固组织的影响
• 4.3.9 Mg含量对凝固组织的影响
• 4.4 Al-Si-Cu-Mg半固态合金的性能预测
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢