喷射成形组织形成与棒坯形状的模拟研究

论文摘要

喷射成形是人为地控制凝固条件，经过金属熔体的分散、飞行快速冷却、半固态凝固及锭坯进一步冷却等阶段，得到特殊的锭坯组织的成形过程。沉积锭坯组织是上述四个阶段金属熔体凝固的综合结果。近成形是喷射成形技术的另一特点，喷嘴形式、喷嘴数量、沉积器的形状与运动方式影响和决定沉积锭坯的外形。材料的凝固与成形受众多因素影响，很多工艺参数的作用规律尚不明确，因此喷射成形过程的模拟研究十分必要。本文采用数值模拟与试验相结合的方法，计算分析了工艺参数对几种Al-Si系合金喷射成形材料显微组织及锭坯外形的影响规律，主要结果如下：应用雾化液滴的传热凝固集总模型，建立了液滴凝固的元胞自动机模拟方法，对初晶析出进行了模拟研究。计算了雾化气体初速度对合金液滴的尺寸分布、温度、凝固分数和初晶析出的影响，以及熔体温度对液滴凝固的影响。计算了液滴在碰撞前的初晶尺寸和形貌，并根据金相试验结果，分析了沉积坯组织的形成和高度方向的变化。指出雾化形成的液滴尺寸及分布、飞行中的快速冷却和沉积撞击中的半固态凝固对喷射成形材料特有组织的形成有决定性的作用。液滴飞行中形成了非平衡凝固组织，半固态凝固中发生了组织的重排，促使材料形成了细小的等轴晶组织。建立沉积圆锭坯形状优化控制的“速度等高线”方法，分析了雾化锥的空间质量流率分布，计算出圆周平均质量流率分布，半定量表达出沉积器回缩速度的空间位置关系；分析了沉积位置对沉积坯端面稳定性的影响，确定了稳定沉积位置范围；分析了沉积位置与沉积器回缩速度对沉积坯形貌的影响，确定了最佳回缩速度；分析了喷射角度、喷射密度参数、雾化点位置参数、沉积器的回缩速度对沉积端面形状的影响。采用坐标跟踪法建立沉积坯形状预测模型，改进了屏蔽系数的计算方法，预测了沉积坯的最终形状。在模拟分析的基础上，提出了喷射成形圆柱坯制备工艺的优化设计方法。依照此方法，优化设计了固定喷嘴条件下喷射成形过共晶Al-Si圆柱坯工艺，制备出形状、尺寸符合设计要求的沉积坯。实验结果表明模型具有较好的实际预测功能，对工艺设计具有较好的指导作用。采用模拟模型优化工艺参数并制备了含硅量为30wt％的过共晶Al-Si低膨胀耐磨合金AlSiFeCuX（X=Mg、La、Ce）。沉积坯相对密度95％左右，晶粒尺寸为5-20μm。材料在致密化处理，T5时效后，AlSiFeCuMg、AlSiFeCuCe、AlSiFeCuLa的热膨胀系数分别为15.3×10-6℃-1，16.5×10-6℃-1，16.0×10-6℃-1。对所获材料的摩擦与磨损性能进行了初步研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 喷射成形技术研究进展
• 1.1 喷射成形技术的形成和发展
• 1.1.1 喷射成形技术的产生
• 1.1.2 喷射成形技术的发展应用
• 1.1.3 喷射成形技术及其材料的特点
• 1.2 喷射成形技术在过共晶Al-Si合金中的应用
• 1.3 喷射成形技术的理论研究
• 1.3.1 雾化阶段
• 1.3.2 液滴飞行阶段
• 1.3.3 沉积阶段
• 1.3.4 沉积坯冷却凝固
• 1.4 喷射成形中的凝固现象及模拟方法
• 1.4.1 喷射成形技术的实质
• 1.4.2 凝固组织的模拟研究
• 1.4.3 凝固组织模拟方法的特点
• 1.5 选题的意义及目的
• 1.6 研究内容
• 第二章 喷射成形Al-Si合金液滴飞行过程中的冷却
• 2.1 液滴在飞行过程中的凝固冷却
• 2.2 传热凝固模型的建立
• 2.2.1 喷射气体压力与初速度的关系及气体的运动和温度
• 2.2.2 液滴的尺寸分布
• 2.2.3 金属液滴的运动与传热
• 2.2.4 形核
• 2.2.5 晶粒生长速度与过冷度的关系
• 2.2.6 凝固生长方式
• 2.3 液滴传热凝固计算中用到的假设和参数
• 2.4 液滴传热凝固的计算结果与讨论
• 2.4.1 雾化气体初速度与液滴尺寸分布
• 2.4.2 金属液滴在雾化气体中的运动
• 2.4.3 金属液滴凝固的动力学过程
• 2.4.4 气体初速度对液滴凝固的影响
• 2.4.5 熔体温度对液滴凝固的影响
• 2.5 小结
• 第三章 液滴凝固中初晶析出的元胞自动机模拟及喷射成形组织变化的金相研究
• 3.1 元胞自动机方法简介
• 3.1.1 元胞自动机的由来
• 3.1.2 元胞自动机的构建元素
• 3.1.3 元胞自动机的特征
• 3.1.4 元胞自动机的应用
• 3.2 Al-Si合金液滴凝固过程的理论基础
• 3.2.1 连续形核模型与经典形核理论
• 0线'>3.2.2 Al-Si合金相图中的T₀线
• 3.2.3 快速凝固枝晶生长的LKT模型
• 3.3 Al-Si合金液滴凝固过程中初晶析出的元胞自动机模拟
• 3.3.1 元胞的编号与坐标
• 3.3.2 枝晶的随机形核和生长取向
• 3.3.3 元胞的“捕获”
• 3.3.4 模型中的时间尺度与空间尺度
• 3.3.5 模拟结果
• 3.4 沉积锭坯显微组织的金相研究
• 3.4.1 Al-30Si过喷粉末和沉积锭的显微组织
• 3.4.2 Al-30Si-2Fe-Cu-0.1Mg沉积锭坯组织沿高度方向的变化
• 3.4.3 沉积锭坯中可能出现的异常组织
• 3.5 小结
• 第四章 等高线法对沉积棒坯工艺参数的优化与形状模拟
• 4.1 喷射成形棒坯的形状模型
• 4.2 模型建立
• 4.2.1 质量流率的空间分布特征
• 4.2.2 空间质量流率的速度等高线模型
• 4.2.3 遮挡系数的计算
• 4.2.4 沉积坯表面的生长速度及形貌
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 实验结果验证
• 4.3.2 沉积位置与回缩速度的选择
• 4.3.3 沉积器位于稳定沉积位置时回缩速度对沉积坯稳态端面的影响
• 4.3.4 沉积器位于非稳定位置时回缩速度对沉积坯稳态端面的影响
• 4.3.5 回缩速度与沉积器位置对底部过渡区的影响
• 4.3.6 沉积器转速对形状演变的影响
• 0，B₀对空间质量流率和形状演化的影响'>4.3.7 雾化分布系数A₀，B₀对空间质量流率和形状演化的影响
• 4.3.8 喷射角度θ对空间质量流率和沉积坯形貌的影响
• 4.3.9 雾化器位置d对空间质量流率和圆柱坯形状演化的影响
• 4.3.10 最佳的速度等高线形状
• 4.3.11 模型的应用
• 4.4 质量流率空间分布特点
• 4.5 小结
• 第五章 喷射成形过共晶Al-Si低膨胀耐磨材料的制备与模拟结果的试验验证
• 5.1 合金成分与熔炼
• 5.2 喷射成形设备及沉积锭坯的制备
• 5.2.1 金属的熔炼和释放系统
• 5.2.2 雾化系统
• 5.2.3 沉积坯形状控制系统
• 5.2.4 真空系统
• 5.2.5 视频监控与测温系统
• 5.2.6 喷射成形工艺控制参数对沉积锭坯形状影响
• 5.2.7 试验材料的测试分析
• 5.3 过共晶Al-30Si合金的粉末特征
• 5.3.1 喷射粉末的粒度分析
• 5.3.2 过喷粉末的金相组织
• 5.3.3 粉末金相组织模拟结果的试验验证
• 5.4 喷射成形AlSiFeCuMg合金的材料特性
• 5.4.1 AlSiFeCuMg过喷粉末的XRD相结构分析
• 5.4.2 喷射成形AlSiFeCuMg的微观组织结构
• 5.4.3 喷射成形材料的密度、硬度
• 5.4.4 热分析，热膨胀系数的测定
• 5.4.5 合金磨损行为
• 5.5 小结
• 第六章 结论
• 攻读学位期间完成的论文及参与的工作
• 致谢
• 参考文献