Al-Si-Fe合金半固态成形工艺优化

论文摘要

高硅铝合金具有较高的耐磨性和低的热膨胀性能,是非常具有应用潜力的结构功能一体化材料。然而,常规制备工艺无法解决硅相粗大问题,使合金的力学性能十分低下,严重制约了该类合金的应用。半固态成形技术可以通过制坯过程实现对合金熔体的搅拌处理,成形过程中还可以实现先析出相的破碎细化,使制件获得良好的组织形态和较高的力学性能;而且,该技术过程成本远低于喷射沉积快凝技术。为此,本文以Al-20Si-5Fe-3Mn-4Cu-1Mg合金为研究对象,对半固态触变成形过程的各个阶段进行了模拟与实验研究,分析了半固态成形工艺对合金组织的影响,并探讨了影响第二相破碎细化的主要因素。利用DEFORM-3D计算机模拟软件,对Al-20Si-5Fe-3Mn-4Cu-1Mg合金半固态挤压过程进行模拟。分析了坯料形状、变形温度、摩擦和挤压比对变形中的等效应变、等效应力以及挤压力的影响。通过模拟结果综合分析,得出Al-20Si-5Fe-3Mn-4Cu-1Mg合金材料在580℃、保温40min、摩擦因子为0.2时,塑性良好、变形均匀、破碎最有利。以此为依据,对比优化了半固态成形工艺和模具系统。试验结果表明:Al-20Si-5Fe-3Mn-4Cu-1Mg合金电磁搅拌后,合金的片状共晶硅相断裂、长度减小,分布也更加均匀;在半固态成形后,组织发生了显著的变化,粗大的片状和针状初生相消失,尖角钝化,形成较为圆整的近粒状相,尺寸减小;共晶Si相变得细小而且均匀,且圆整化;随着挤压比的增大,第二相破碎效果越好,分布越均匀。与此同时,试验结果验证了模拟结果与实际的相符性。半固态成形使Al-20Si-5Fe-3Mn-4Cu-1Mg合金的力学性能得到大幅度提高,最大抗拉强度达到了251MPa,比铸态提高了128.2%;伸长率达到了1.4%,比铸态提高了180%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 半固态成形技术的研究进展
• 1.2.1 半固态成形技术（SSM）概述
• 1.2.2 半固态技术的特点及应用范围
• 1.2.3 半固态成形技术的方法
• 1.2.4 半固态浆（坯）料制备工艺的研究现状
• 1.2.5 半固态半固态触变成形的理论研究
• 1.2.6 半固态成形技术的应用现状
• 1.3 耐磨耐热高硅铝合金的研究现状
• 1.4 有限元数值模拟技术在半固态成形中的应用
• 1.5 本课题的研究内容
• 第二章 实验材料与方法
• 2.1 实验材料
• 2.1.1 合金成分的选择
• 2.1.2 实验原料
• 2.2 实验设备
• 2.2.1 熔炼设备
• 2.2.2 辅助设备
• 2.3 实验原理
• 2.4 半固态浆料的制备
• 2.4.1 中间合金的制备
• 2.4.2 母合金的熔炼
• 2.5 实验方法
• 2.5.1 电磁搅拌工艺
• 2.5.2 二次加热工艺
• 2.5.3 半固态触变成形
• 2.5.4 微观组织的观察与分析
• 2.5.5 力学性能测试
• 第三章 半固态挤压过程的数值模拟
• 3.1 半固态Al-Si-Fe合金触变成形过程的数值模拟
• 3.1.1 DEFORM简介
• 3.1.2 力学模型及模拟参数的设定
• 3.1.3 模拟方案
• 3.1.4 模具设计及优化
• 3.2 数值模拟的结果及分析
• 3.2.1 变形过程
• 3.2.2 变形温度的影响
• 3.2.3 摩擦的影响
• 3.2.4 挤压比的影响
• 第四章 实验结果与分析
• 4.1 常规铸态Al-Si-Fe合金组织的特征
• 4.2 电磁搅拌对Al-Si-Fe合金微观组织的影响
• 4.2.1 搅拌电压对Al-Si-Fe合金微观组织的影响
• 4.2.2 搅拌部位对Al-Si-Fe合金微观组织的影响
• 4.3 半固态挤压对Al-Si-Fe合金微观组织的影响
• 4.3.1 触变成形温度对Al-Si-Fe合金微观组织的影响
• 4.3.2 不同挤压部位的微观组织比较
• 4.4 Al-Si-Fe合金力学性能比较
• 第五章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢