功率超声制备铝合金半固态浆料及其微观组织形成机理研究

论文摘要

利用超声振动制备半固态浆料是21世纪的一种环保工艺,但至今人们对超声波作用于浆料的规律、条件和机理仍然不是非常清楚,因此,该领域一直是材料学家和生产者们广泛关注的研究热点。本文首先在现有的功率超声波发生器的基础上选择合适的超声频参数、变幅杆的材料、形状和尺寸,设计了一套利用超声制备半固态浆料的装置,然后用此装置研究了超声功率大小、开始施振温度和变幅杆端部形状对A356铝合金半固态初生相尺寸和形貌的影响规律,并且设计了正交试验来找出具有相互作用的两个主要因素（功率大小和施振温度）对初生相的影响,得出了本试验条件最佳工艺参数组合。实验结果表明:随着超声波功率的增大,导入合金熔体的能量越大,越容易改变传统的结晶方式,使获得的初生α-AL相尺寸随着功率的增大而越细化,形貌球化随着功率的增大而越明显;由于超声波在传播过程中的一系列效应和合金熔体的温度密切相关,因此在所选三组施振温度（620℃、640℃和660℃）中,合金初生相形貌最佳的施振温度是640℃;变幅杆端部的形状不同,导入熔体的超声波的波阵面就不同,从而将导致不同的实验结果;获得A356半固态初生α-AL相的最佳工艺条件为:超声功率为1500w施振温度为620℃。此条件下所得的初生α-AL相的等积圆直径尺寸D=38.9μm,形状因子f=0.83;获得初生α-AL相尺寸最细小的最佳工艺条件为:超声功率为1500w施振温度为640℃,此条件下所得初生α-AL相的等积圆直径尺寸D=30.5μm,形状因子f=0.81。根据试验结果,从合金结晶过程的形核和晶粒的长大两方面初步探讨了功率超声对媒质的三大效应,即力学效应、声流效应和热效应的作用机理。得出超声波的热效应给非均质形核提供了更大的能量起伏,从而促使异质形核的形核率提高;超声波的力学效应提供液相原子向晶胚移动的动力,促使晶胚稳定生长成晶核,提高形核率;改变原本枝晶生长的负温度梯度,使晶核呈胞状生长,使最终形成的组织为球状;超声的声流效应导致熔体的上下翻动,能够显著改变结晶前沿熔体的温度场,减小热边界层厚度,提高相应界面温度梯度,从而降低界面生长速率,使形成的组织细小;还能够使界面前沿成分过冷区减小,从而使胞状界面更加稳定,组织得到细化。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 超声技术概述
• 1.1.1 功率超声的基本原理
• 1.1.2 功率超声在金属凝固中的应用与发展
• 1.2 半固态技术概述
• 1.2.1 半固态浆料的质量要求
• 1.2.2 半固态浆料的制备技术
• 1.3 半固态流变模锻成形技术
• 1.3.1 半固态流变模锻工艺特点
• 1.3.2 半固态流变模锻工艺过程
• 1.4 本课题的研究意义及内容
• 1.4.1 本课题研究意义
• 1.4.2 本课题研究内容
• 第2章 半固态球状组织形成机理研究回顾
• 2.1 过冷熔体生长
• 2.1.1 过冷熔体中的形核
• 2.1.2 过冷熔体中晶粒生长方式
• 2.2 半固态非枝晶组织形成机理
• 2.2.1 正常熟化引起的枝晶根部熔断假说
• 2.2.2 枝晶臂塑性弯曲和晶界浸润熔断假说
• 2.2.3 约束生长假说
• 2.3 超声作用凝固过程机理
• 第3章 实验装置的结构功能与设计
• 3.1 实验装置的结构功能分析
• 3.1.1 超声波电源
• 3.1.2 超声换能器
• 3.2 实验装置的设计
• 3.2.1 超声变幅杆
• 3.2.2 振动头冷却装置
• 3.2.3 盛金属液容器
• 3.2.4 制浆实验整体装置
• 第4章 实验方案设计
• 4.1 实验材料
• 4.2 A356 铝合金的熔炼
• 4.3 超声波导入方式设计
• 4.4 实验设计
• 4.4.1 超声波功率参数对半固态浆料微观组织影响实验设计
• 4.4.2 施振温度对半固态浆料微观组织影响实验设计
• 4.4.3 确定最佳工艺条件的实验设计
• 4.4.4 变幅杆端部形状对浆料微观组织影响实验设计
• 第5章 实验结果及分析
• 5.1 超声波功率参数对半固态浆料微观组织影响实验
• 5.1.1 实验结果
• 5.1.2 实验结果分析
• 5.1.3 实验结论
• 5.2 施振温度对半固态浆料微观组织影响实验
• 5.2.1 实验结果
• 5.2.2 实验结果分析
• 5.2.3 实验结论
• 5.3 确定最佳工艺条件的实验
• 5.3.1 实验结果
• 5.3.2 实验结果分析
• 5.3.3 实验结论
• 5.4 变幅杆端部形状对浆料微观组织影响实验
• 5.4.1 实验结果
• 5.4.2 实验结果分析
• 5.4.3 实验结论
• 第6章 半固态组织在超声场作用下的形成机理
• 6.1 超声振动在液体中的声场分析
• 6.1.1 溶液中声压分析
• 6.1.2 空化阈的计算
• 6.2 超声振动导入合金熔体时产生的效应
• 6.2.1 超声振动的力学效应
• 6.2.2 超声振动的声流效应
• 6.2.3 超声振动的热效应
• 6.3 超声振动干扰结晶过程的机理
• 6.3.1 功率超声对熔体中形核的影响
• 6.3.2 功率超声对熔体中晶粒生长条件的影响
• 6.4 结论
• 第7章 结论与展望
• 7.1 本课题的结论
• 7.2 本课题的创新点
• 7.3 后期工作展望
• 参考文献
• 作者发表学术论文情况
• 致谢