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Cu基形状记忆合金单晶制备技术及DSCC过程闭环模糊控制的研究

2020-12-07阅读(598)

Cu基形状记忆合金单晶制备技术及DSCC过程闭环模糊控制的研究

论文摘要

形状记忆合金是一种重要的功能材料,其中应用最广泛的是钛镍形状记忆合金,而铜基形状记忆合金有很好的形状记忆特性和超弹性,但有很高的弹性各向异性因子（A）。这导致了该材料延性差、易发生晶界破坏以及疲劳寿命短,冷加工性能很差,疲劳强度也极低等问题,致使价格低廉、性能良好的铜基形状记忆合金无法得到真正意义上的工程应用。本论文从铜基形状记忆合金单晶化入手,以定向凝固连铸技术（Directional Solidification Continuous Casting）为技术路线,在对定向凝固连铸过程计算机模拟研究的基础上,提出了定向凝固连铸过程纠扰闭环控制总体思路,解决了实施中的关键技术,开发出铜基形状记忆合金单晶材料的产业化生产技术,并完成了定向凝固连铸设备设计、制造,从根本上来解决铜基形状记忆合金单晶材料产业化生产问题,为价格低廉、性能良好的铜基形状记忆合金实现真正意义上的工程应用提供手段。本论文围绕这一目的,首先用自行设计的HRS法高温度梯度定向凝固炉和带有引晶器单晶模壳制备出了CuAl系形状记忆合金单晶单体试样。对铜基形状记忆合的性能测试表明,对于有弹性各向异性的Cu基形状记忆合金而言,CuAl系形状记忆合金冷热循环疲劳特性和可恢复应变特性对晶界非常敏感。无晶界的单晶材料具有最佳的冷热循环疲劳特性、可恢复应变特性和力学性能。CuAlNiBe单晶,其抗拉强度αb=780MPa,延伸率ε%=17%;冷热疲劳循环疲劳断裂次数可达750次左右;最大可回复应变达到10%,已与TiNi形状记忆合金的最大可恢复应变量8～9%相当。但是,实验室的单晶制备方法由于其效率低、成本高并不适合于进行产业化生产。相比之下,一种兼顾产品质量、生产效率、成品率和制备成本的成熟、经济、有效的单晶形成技术一定向凝固连铸技术（DSCC技术）则是铜基形状记忆合金产业化生产优选的技术路线。借鉴现有的生产铜单晶的定向凝固连铸装置样机,对生产型的多通道水平式热型连铸设备进行了设计。设计包括以下部分:熔炼部分、保温部分、液面控制部分、连铸炉部分（该部分在多通道拉铸过程中表现为分流槽）、铸型部分、冷却部分、铸锭牵引部分、导流部分和溢流保护部分。铜单晶生产实践和研究表明,单晶制备过程既是一种要求工艺参数控制精度要求很高的定向凝固过程,同时又结合了连铸技术。制备单晶的定向凝固连铸过程控制的关键的环节必须要实现过程的闭环控制。为制订制备单晶的定向凝固连铸过程控制的总体实施方案,从定向凝固连铸（DSCC）的基本原理出发,以计算机模拟技术为基础,建立了定向凝固连铸过程的数字模型,确定液固界面位置Z为定向凝固连铸凝固过程考察的主要目标控制量,并引入形状因子作为辅助控制量,开展计算机实验,以获得对制备单晶的定向凝固连铸过程有一个深入的认识。通过对模拟结果的分析发现,在定向凝固连铸过程中冷却距离L（铸型至水冷端的距离）、牵引速度V和铸型内壁温度Tm对温度分布曲线的变化有比较明显的影响。通过计算机拟合后获得了这三个工艺参数与液固界面位置和形状因子之间的函数关系:工艺参数L、V、Tm对形状因子X的函数关系的回归函数式如下:模拟还表明,熔体温度Tb、冷却水温度Tw、冷却水流量Q这三个工艺参数取值的变化对温度分布曲线基本上没有很明显的影响。而液面高度h对过程的影响主要表现在,液固界面位置位于结晶器口以外时,如果液面高度h过高,则所产生的附加压力将可能无法被金属液体的表面张力所平衡,而发生漏液,破坏连铸过程。模拟计算确定了定向凝固连铸过程中稳定生长的液固界面位置（Z）的极限安全范围为（-4mm,+1.79mm）。模拟还首次发现了目标量（液固界面位置ZE）的变化并不仅仅是L、V两个变量单独调整引起变化的简单数字迭加,而是出现了加强关系,其响应函数关系中增加了λLλV加强项:对在实际的定向凝固连铸过程中温度分布的实际测量表明,计算机模拟的理论数据与实际相差仅在20℃上下,计算机模拟具有较高的可信度。基于对计算机模拟结果的分析,并根据凝固原理和定向凝固连铸过程的传热特点,提出了以纠扰控制作为该过程控制总体方案的主线,将液固界面位置Z作为了纠扰控制过程的目标控制量,并为定向凝固连铸过程设定了Z的极限安全范围,进行定向凝固连铸过程的纠扰闭环控制。确定以冷却距离L和牵引速度V作为纠扰控制系统中的可调整参量。而对目标参量的影响最大的铸型内壁温度Tm,在控制过程中,作为人工介入应急处理时调整量。即当目标量（Z）波动变化太大或者目标量（Z）很难在短时间内回复到安全范围时,采用调整铸型内壁温度Tm。其他参数在正常运行中采用恒定量控制方案实施。利用ANSYS分析软件,分析了冷却距离L和牵引速度V变化过程中温度场分布的变化,确定了无任何干扰的情况下工艺参数与目标控制量Z之间的时间分布函数,建立了系统模型。并选择了模糊控制方法,对定向凝固连铸过程系统目标量与变量之间的非线性关系进行了控制算法的设计。利用MATLAB软件对定向凝固连铸过程的纠扰控制过程进行了计算机仿真实验,并对结果进行了分析。证实了所设计的定向凝固连铸过程的控制系统和模糊控制器能够很好的满足定向凝固连铸过程的实际要求,具备实际操作的可行性。根据定向凝固连铸过程的技术特点和制订的纠扰闭环控制方案,完成了相应的定向凝固连铸过程中的整体的控制系统的硬件和软件的系统设计:●完成工控机的选择、恒温控制的冷却水循环系统、液位恒定控制系统、过程液固界面位置的纠扰控制系统和电源抗干扰系统的设计。●选择了以现有的商业软件作为控制系统的开发平台,并确定工业控制中常用的组态软件作为主控应用程序。●根据组态软件的特点,采用单元化设计的思路。将整个工程划分为多个部分进行开发。通过对各部分的编制、设计,完成了具有良好的直观性和简单的操作性,更加适合企业现场实用性的人机界面。通过上述几方面的工作,构成了定向凝固连铸过程的控制系统的一个软、硬件网络,为最终完成定向凝固连铸过程中各工艺参数的实时闭环控制系统的顺利工作提供了保障。应该看到,所完成的定向凝固连铸设备及整个控制系统,由于时间及种种原因,虽已制造出来,但最终并没有真正投入到实际生产过程中应用。因此,无法对所设计的设备和相应的控制系统,作出完整的正确评价。应该说,技术路线是可行的,但应用到实际生产过程中,并形成一个比较完善的控制系统开发平台,仍然有很多工作需要进一步进行。这些工作的深入必将为铜基形状记忆合金的制备及其定向凝固连铸过程控制起到重要的推动作用,也必将为多元合金单晶连铸领域乃至冶金行业的多因素系统的控制开发提供了一个比较可行的方向。

论文目录

  • 摘要
  • 论文的创新工作要点
  • Abstract
  • 目录
  • 第一章 绪论
  • 1.1 形状记忆合金概述
  • 1.1.1 应力诱发马氏体相变（热弹性马氏体相变）
  • 1.1.2 形状记忆效应的微观机理
  • 1.1.3 形状记忆合金的超弹性微观机理
  • 1.1.4 形状记忆效应的分类与度量
  • 1.2 Cu基形状记忆合金
  • 1.2.1 Cu基形状记忆合金概述
  • 1.2.2 Cu基形状记忆合金存在的问题及解决途径
  • 1.3 定向凝固连铸技术
  • 1.3.1 定向凝固连铸技术原理及特点
  • 1.3.2 定向凝固连铸技术在Cu基形状记忆合金制备中的应用
  • 1.3.3 定向凝固及其定向凝固连铸设备的基本要素
  • 1.3.4 定向凝固及其定向凝固连铸技术国内外发展概况及存在的问题
  • 1.3.5 定向凝固连铸技术的发展趋势
  • 1.4 冶金过程控制研究的现状及趋势
  • 1.4.1 冶金过程控制研究的现状
  • 1.4.2 冶金过程控制的趋势
  • 1.5 本论文研究的主要内容
  • 第二章 铜基形状记忆合金单晶的形成及其性能考察
  • 2.1 单晶或柱状晶形成条件及其与定向凝固工艺参数的关系
  • 2.1.1 单晶或柱状晶形成过程及基本原理
  • 2.1.2 定向凝固技术的工艺参数与单晶或柱状晶形成的关系
  • 2.2 铜基形状记忆合金单晶制备实验方案的确定
  • 2.3 Cu基形状记忆合金单晶形成的探索性实验
  • 2.3.1 单晶探索试验定向凝固炉及主要参数的确定
  • 2.3.2 单晶引晶器的设计
  • 2.3.3 定向凝固过程最佳工艺参数探索
  • 2.4 实验结果分析
  • 2.4.1 宏观金相分析
  • 2.4.2 合金马氏体相变点
  • 2.4.3 冷热循环疲劳特性
  • 2.4.4 可恢复应变特性
  • 2.5 本章小结
  • 第三章 铜基形状记忆合金单晶连铸生产型设备设计
  • 3.1 单晶连铸总体设计方案
  • 3.1.1 热型连铸法及其定向凝固连铸设备的构成
  • 3.1.2 定向凝固连铸设备的设计技术指标
  • 3.2 定向凝固连铸设备设计
  • 3.2.1 熔炼部分
  • 3.2.2 保温部分
  • 3.2.3 连铸部分
  • 3.2.3.1 连铸方案的选择
  • 3.2.3.2 连铸熔池液面控制部分
  • 3.2.3.3 连铸熔池容器部分
  • 3.2.5 热铸型部分
  • 3.2.6 定向热流区
  • 3.2.7 冷却部分
  • 3.2.8 连铸坯锭牵引部分
  • 3.2.9 导流部分
  • 3.2.10 气氛保护措施
  • 3.2.11 交全保护措施
  • 3.3 本章小结
  • 第四章 定向凝固连铸过程参数与生长中的液固界面特性的关系研究
  • 4.1 工艺参数对液固界面特性影响程度分析
  • 4.1.1 定向凝固连铸过程中液固界面特征量的确定
  • 4.1.2 定向凝固连铸过程工艺参数分析方案的确定
  • 4.1.3 定向凝吲连铸过程的物理模型
  • 4.1.4 数学模型的建立
  • 4.1.5 定向凝同过程仿真结果
  • 4.1.6 仿真结果的实验验证
  • 4.2 有显著影响的工艺参数L、V、Tm对液固界面特性的影响
  • 4.2.1 定向凝固连铸过程主要工艺参数L、V、Tm影响的仿真结果计算
  • 4.2.2 定向凝固连铸过程三个工艺参数与液固界面特性的关系
  • E的变化及工艺参数对液固界面特性影响规律'>4.2.3 L、V同时作用时ZE的变化及工艺参数对液固界面特性影响规律
  • 4.3 本章小结
  • 第五章 定向凝固连铸过程控制算法设计及仿真
  • 5.1 定向凝固连铸过程纠扰控制方案确定
  • 5.1.1 控制目标量的确定
  • 5.1.2 纠扰控制总体方案
  • 5.1.3 目标量极限范围的确定
  • 5.1.4 各参数纠扰控制方式的确定
  • 5.1.5 定向凝固连铸过程自动纠扰控制系统模型
  • 5.2 定向凝吲连铸过程纠扰控制算法设计
  • 5.2.1 模糊控制原理
  • 5.2.2 定向凝同连铸过程模糊控制算法设计
  • 5.2.3 定向凝固连铸过程纠扰控制过程的仿真及结果
  • 5.3 本章小结
  • 第六章 定向凝固连铸过程自动控制系统的硬件设计
  • 6.1 定向凝固连铸过程中人工介入开环控制的硬件设计
  • 6.1.1 相关温度数据的硬件设计
  • 6.1.2 铸坯冷却用冷却水系统硬件设计
  • 6.2 定向凝固连铸过程金属液位的恒定控制
  • 6.2.1 液位控制方案设计
  • 6.2.2 金属液位控制硬件系统设计
  • 6.3 定向凝固连铸过程的纠扰控制
  • 6.3.1 温度检测系统
  • 6.3.2 液固界面位置的纠扰闭环控制中在线调整的参数调整系统
  • 6.3.3 计算机网络体系硬件设计
  • 6.3.4 电源抗干扰设计
  • 6.3.5 电控柜设计
  • 6.4 本章小结
  • 第七章 定向凝固连铸过程控制系统的软件设计
  • 7.1 计算机内主控程序设计
  • 7.1.1 计算机系统功能
  • 7.1.2 应用软件的选择及设计思路
  • 7.1.3 定向凝固连铸过程的单元化设计
  • 7.2 模块控制程序设计
  • 7.2.1 CAN通信协议介绍
  • 7.2.2 模块功能子函数设计
  • 7.3 本章小结
  • 第八章结论
  • 参考文献
  • 附件
  • 作者在攻读硕士学位期间所作的项目
  • 致谢
  • 附:附件
  • 附件一 模块控制程序
  • 附件二 设计图纸

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