Al-Si合金近液相线铸造组织多尺度模拟

论文摘要

半固态成形（Semi-Solid Metal Process,简称SSM）以其高质量、高成品率、近终形等特点受到人们的广泛关注,其中浆料制备是半固态成形的关键,近液相线铸造技术是获得半固态浆料的简单高效的方法之一本文针对Al-Si合金近液相线铸造的特点,建立了金属凝固过程的传热、传质以及液固相变的形核与长大模型。通过固相率变化将介观尺度和宏观尺度计算耦合起来,实现了合金凝固组织演变的多尺度模拟。通过模拟得到了合金成分（5%、7%和10%）、浇注速度（0.003m/s-0.0015m/s）和浇注温度（930.0K和891.0K）对合金凝固组织的影响,进而获得适合半固态加工的最佳合金成分及其成形工艺条件。计算机模拟结果表明：常规铸造时,晶粒圆度小,平均尺寸较大且尺寸不均匀；而近液相线铸造得到的半固态组织中晶粒均匀、细小、圆整；Si含量对合金半固态组织影响较大,在近液相线铸造中Al-5％Si.Al-7%Si和Al-10％Si（质量分数）三种成分的合金都能形成细小的等轴晶,但Al-5％Si和Al-10%Si半固态组织中晶粒圆度略小且晶粒不够均匀；铸造速度对合金的半固态组织影响也较大,铸造速度大（0.003m/s）,晶粒比较粗大,有拉长趋势,晶粒圆度较小,适当降低铸造速度有利于均匀细小球形晶粒的形成；近液相线铸造得到的凝固组织中初生Si在晶粒中呈均匀、细小、弥散分布,提高和改善了过共晶Al-Si合金力学性能和切削加工性能。本文研究得到Al-Si合金近液相线铸造时的最佳成分是Al-7%Si,其合适的成形工艺条件为：浇注温度为891.0K,铸造速度为0.002m/s,水冷系数为1000J/（m2·K）.

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 半固态成形介绍
• 1.1.1 半固态成形技术简介
• 1.1.2 半固态成形技术的优点
• 1.1.3 半固态金属成形工艺及浆料制备
• 1.2 凝固过程多尺度模拟
• 1.2.1 凝固过程宏观尺度模拟
• 1.2.2 凝固过程介观尺度模拟
• 1.3 本文研究的内容及意义
• 第2章 理论模型的建立
• 2.1 传热模型
• 2.1.1 传热方程
• 2.1.2 边界条件
• 2.2 传质模型
• 2.3 形核模型
• 2.4 生长模型
• 2.5 元胞规则
• 第3章 模拟结果与讨论
• 3.1 模拟流程
• 3.2 温度场模拟
• 3.3 晶粒长大过程模拟
• 3.4 组织模拟
• 3.4.1 浇注温度对合金半固态组织的影响
• 3.4.2 合金成分对合金半固态组织的影响
• 3.4.3 铸造速度对合金半固态组织的影响
• 第4章 结论
• 参考文献
• 致谢