SCR技术制备A2017合金半固态材料组织演化与扩展成形

论文摘要

本文研究工作是国家自然科学基金和上海宝钢集团公司联合资助项目“SCR技术制备半固态材料组织演化与扩展成形机制”(No.50274020)的部分内容，以A2017合金为对象，系统研究了一种能够连续高效制备半固态金属的技术，即单辊剪切冷却技术(Shearing/Cooling Roll process，简称SCR技术)，并根据SCR技术的设备结构及工艺特点，提出半固态金属的连续挤压扩展成形新工艺，解决了SCR技术制备半固态金属与成形的一体化和连续化问题，主要工作及获得的研究成果如下： (1)设计和建立一台SCR实验机，采用实验机制备A2017合金半固态浆料，并流变铸造成半固态锭坯，揭示了SCR工艺参数对半固态合金浆料组织的影响规律，优化了流变铸造工艺参数。结果表明，随着熔体浇注温度的降低或者辊靴型腔高度的减小，半固态合金浆料组织从粗大的枝晶和玫瑰晶逐渐转变为细小均匀的等轴晶。在本实验机设计的技术参数条件下，浇注温度为760～780℃，辊靴型腔高度为4～6mm，SCR技术制备的A2017合金半固态浆料可直接流变铸造得到质量良好的半固态合金锭坯； (2)通过对SCR技术制备A2017合金半固态浆料辊靴型腔内组织演化过程的实验观察，认为SCR技术制备半固态合金浆料过程存在搓动剪切动态凝固机制，使辊靴型腔内合金形成动态凝固形核→枝晶破碎→晶粒细化球化的组织演化过程，即熔体首先在冷却靴和工作辊表面凝固形核并以枝晶形态生长，在剪切搅拌作用下，枝晶脱落，部分枝晶退化成玫瑰晶，随着剪切搅拌作用的加强，枝晶和玫瑰晶破碎形成细小的等轴晶，等轴晶在碰撞摩擦过程中可形成球形晶； (3)首次采用有限元法对半固态合金连续挤压扩展成形过程热流耦合场进行三维数值模拟，建立了半固态合金连续挤压扩展成形过程的计算模型，确定了计算模型的边界条件和A2017合金的热物性参数，获得了辊靴型腔和模腔内合金温度场和流场，揭示了工艺参数和模具设计参数对温度场和流场的影响规律。模拟结果为优化工艺参数、设计扩展成形模具、控制产品组织等半固态金属的连续制

论文目录

• 声明
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 半固态金属加工技术的诞生
• 1.2 半固态金属加工技术的特点
• 1.3 半固态金属浆料或坯料的制备技术
• 1.3.1 搅拌法
• 1.3.2 非搅拌法
• 1.4 半固态金属浆料或坯料的成形工艺
• 1.4.1 触变成形
• 1.4.2 流变成形
• 1.5 半固态金属加工技术的基础理论研究进展
• 1.5.1 半固态金属组织的形成机理
• 1.5.2 半固态金属的流变行为
• 1.6 半固态金属加工技术国内外研究现状
• 1.7 本论文研究的意义和内容
• 1.7.1 本论文研究的意义
• 1.7.2 本论文研究的内容
• 第二章 SCR技术制备半固态材料的设备与工艺研究
• 2.1 简介
• 2.2 实验设备
• 2.2.1 实验设备的设计基本原理
• 2.2.2 实验设备的设计与建造
• 2.3 实验
• 2.3.1 实验材料
• 2.3.2 实验工艺流程
• 2.4 实验结果与分析
• 2.4.1 熔体浇注温度对半固态金属组织的影响规律
• 2.4.2 辊靴型腔高度对半固态金属组织的影响规律
• 2.4.3 冷却水流量和工作辊转速对半固态金属组织的影响规律
• 2.4.4 半固态合金浆料特性
• 2.5 本章小结
• 第三章 SCR技术制备半固态材料组织演化机制
• 3.1 简介
• 3.2 实验
• 3.3 实验结果与分析
• 3.3.1 组织演化过程的直接观察
• 3.3.2 组织演化机制分析
• 3.3.3 组织演化机制的特点
• 3.4 本章小结
• 第四章 半固态挤压扩展成形过程热流耦合场数值模拟
• 4.1 简介
• 4.2 半固态挤压扩展成形原理及设备结构
• 4.2.1 半固态挤压扩展成基本原理及特点
• 4.2.2 半固态挤压扩展成形的设备结构
• 4.3 计算机数值模拟
• 4.3.1 有限元法及ANSYS软件简介
• 4.3.2 基本假设
• 4.3.3 热流耦合场的数学模型描述
• 4.3.4 合金热物性参数的确定
• 4.3.5 凝固潜热的处理
• 4.3.6 计算模型的建立
• 4.3.7 边界条件的处理
• 4.4 模拟结果与分析
• 4.4.1 辊靴型腔内合金温度场
• 4.4.2 辊靴型腔内合金流场
• 4.4.3 模具扩展腔内合金温度场
• 4.4.4 模具扩展腔内合金流场
• 4.5 本章小结
• 第五章 半固态挤压扩展成形实验研究
• 5.1 简介
• 5.2 半固态挤压扩展成形模具设计
• 5.3 实验
• 5.4 实验结果及分析
• 5.4.1 半固态挤压扩展成形工艺
• 5.4.2 模具扩展腔内金属流动规律
• 5.4.3 制品的组织与力学性能
• 5.5 模拟计算结果的实验验证
• 5.6 本章小结
• 第六章 A2017合金半固态坯料二次加热组织演变
• 6.1 简介
• 6.2 实验
• 6.2.1 二次加热试样的制备
• 6.2.2 二次加热实验过程
• 6.2.3 组织观察与检测
• 6.3 实验结果与分析
• 6.3.1 流变铸造玫瑰晶等轴晶坯料二次加热组织演变规律
• 6.3.2 流变铸造枝晶坯料二次加热组织演变规律
• 6.3.3 挤压扩展成形坯料二次加热组织演变规律
• 6.4 坯料二次加热组织演变机制分析
• 6.4.1 晶粒长大机制
• 6.4.2 晶粒球化机制
• 6.5 本章小结
• 第七章 A2017合金半固态坯料触变性能及触变轧制成形
• 7.1 简介
• 7.2 实验
• 7.2.1 压缩变形实验
• 7.2.2 触变轧制实验
• 7.3 实验结果与分析
• 7.3.1 半固态压缩变形力学行为及变形机制
• 7.3.2 触变轧制工艺对板材质量的影响
• 7.3.3 触变轧制板材的组织及力学性能
• 7.3.4 冷轧板材的组织及力学性能
• 7.4 本章小结
• 第八章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 作者从事科学研究和学习经历的简介
• 攻读博士学位论文期间撰写的论文与著作