直入式超声波施振铸造试验及其凝固动力学机理研究

论文摘要

引入超声外场制备材料是当今材料科学发展的前沿技术,超声波处理金属熔体是一个非常复杂的物理过程和多场耦合过程。利用超声波细化凝固组织、改善温度场、应力场形态,有利于铝合金成型过程的优化,获得高性能的铸造产品。本文主要以7050铝合金超声铸造为切入点,主要研究了以下几方面内容：1、通过进行7050铝合金大铸锭超声半连续铸造试验,考察超声波对不同直径铸锭凝固组织的细晶效果,分析整个截面及特殊点的晶粒平均尺寸,试验结果得出超声振动对半连续铸锭整个截面都有细晶作用。2、通过7050铝合金的超声坩埚铸造试验,研究了超声施振对熔体冷却时间及凝固组织的影响,并分析超声细化组织的机理。实验结果表明：当施振温度范围在670℃-655℃和640℃-625℃时,与未施加超声相比,熔体在此温度区间的冷却时间较长；当施振温度范围在625℃-590℃时,熔体在此温度区间的冷却时间明显较短；超声波在640℃-625℃对熔体连续施振所得到的凝固组织细化效果明显好于施振温度范围为625℃-590℃时,且在液相线下10℃对熔体施振同样能得到细化的凝固组织；通过超声场中枝晶臂受力模型的计算结果表明超声波引起的声流和机械效应不能直接折断枝晶臂,结合坩埚试验提出在超声振动的搅拌下,初生枝晶二次臂根部熔断是重要的细化机制。3、通过共振理论探讨超声共振机理对熔体凝固过程的影响,主要包括以下几个方面：通过对超微粒和宏观实心球体的固有频率进行计算和分析,得出熔体中引起共振的粒子半径范围为1μm到10μm；通过对半连铸过程中的凝固前沿界面粒子的振荡模型的分析得出超声振动对整个凝固前沿界面上固有频率在2×104Hz附近的粒子产生激励作用,引起粒子共振,使其振幅增大,振荡剧烈；通过对动力学过冷度计算得出超声振动下过冷度增大,形核率迅速增大从而细化凝固组织；结合试验分析共振能加速熔体对凝固界面的冲刷,进而细化整个截面的凝固组织。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 7XXX系铝合金材料的发展
• 1.3 铝合金的凝固过程与半连续铸造工艺
• 1.3.1 铸造温度对铸锭质量的影响
• 1.3.2 铸造速度对铸锭质量的影响
• 1.3.3 冷却强度对铸锭质量的影响
• 1.3.4 铸造过程中引入外场对铸锭质量的影响
• 1.4 超声振动对金属凝固组织作用效果的研究现状
• 1.4.1 超声波传播过程中的各种物理效应
• 1.4.2 超声对金属熔体的作用效果
• 1.4.3 超声振动细化金属凝固组织的机理研究现状
• 1.5 课题来源、研究意义及论文内容
• 1.5.1 课题背景与来源
• 1.5.2 研究内容与意义
• 第二章 铝合金超声铸造试验
• 2.1 引言
• 2.2 超声作用下Φ300mm圆锭半连续铸造试验
• 2.3 超声作用下Φ550mm圆锭半连续铸造试验
• 2.3.1 铸锭组织取样
• 2.3.2 截面晶粒平均尺寸分析
• 2.3.3 不同截面下晶粒形貌对比
• 2.3.4 截面晶粒尺寸取样分析
• 2.4 铝合金超声坩埚铸造试验
• 2.4.1 试验材料及装置
• 2.4.2 试验方案
• 2.4.3 试验结果与讨论
• 2.5 本章小结
• 第三章 超声振动对7050铝合金枝晶臂作用的力学行为
• 3.1 引言
• 3.2 金属熔体中的枝晶臂受力模型
• 3.2.1 模型假设
• 3.2.2 熔体中声流对枝晶臂的作用力
• 3.2.3 熔体中机械效应对枝晶臂的作用力
• 3.2.4 熔体中的空化效应
• 3.3 7050铝合金熔体中枝晶臂的受力计算
• 3.3.1 7050铝合金物性参数的建立
• 3.3.2 声流对枝晶臂作用力的计算分析
• 3.3.3 机械效应对枝晶臂作用力的计算分析
• 3.3.4 熔体中的空化阈值
• 3.4 熔体中枝晶臂二次臂根部的熔断机制分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 超声振动影响铝合金熔体凝固动力学机理的探讨
• 4.1 引言
• 4.2 超声波的传播与熔体凝固过程中的共振
• 4.3 熔体凝固过程中共振媒介的固有频率计算与分析
• 4.3.1 粒子振荡过程的描述
• 4.3.2 固有频率适用的模型
• 4.3.3 超微粒的固有频率特征方程
• 4.3.4 宏观球体的固有频率
• 4.3.5 熔体中共振粒子的尺度范围
• 4.4 超声振动对熔体凝固过程中的作用机理分析
• 4.4.1 熔体中共振粒子的尺寸聚集体特性
• 4.4.2 连铸中液穴形状
• 4.4.3 超声振动对凝固前沿界面粒子的影响
• 4.4.4 共振机理对7050铝熔体动力学过冷度的影响分析
• 4.4.5 共振对7050铝合金半连续铸造凝固组织的影响分析
• 4.4.6 共振对液相线下10℃熔体冷却时间的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 全文总结及展望
• 5.1 主要研究工作及结论
• 5.2 研究中存在的问题及展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间参与的科研项目及发表的论文