Al-4.5%Cu合金DC铸造过程的宏观偏析

论文摘要

宏观偏析是铝合金DC铸造过程中一种常见且带来严重危害的缺陷。这种缺陷是一种不可逆的缺陷,并且将一直存留在铸锭后续产品中,造成性能差异而且影响终产品的质量。因此如何控制DC铸造过程中宏观偏析,对提高铝合金产品的质量和生产率有着重要的意义。本文以Al-4.5%Cu合金为研究对象。创建了适合描述DC铸造和低频电磁铸造（LFEC）过程中多物理场（流场,温度场和溶质场）的相互作用的数学模型,该模型很好地描述了在铸造过程中电磁场、熔体流动、热量传输、合金凝固和溶质元素传递及宏观偏析,并且在商业有限元软件ANSYS和CFD软件FLUENT中得到了实现。利用这个数学模型模拟了φD200mm Al-4.5%Cu合金铸锭DC和LFEC过程,并且模拟获得的电磁感应强度,铸造过程的冷却曲线和铸锭中Cu元素的分布与测量的结果进行了比较,结果发现两者吻合很好。通过对DC铸锭和LFEC铸锭的组织观察,结果发现组织是由铝基体和α-Al与θ相（A12Cu）构成的共晶组织组成。施加低频电磁场并没有改变铸锭的凝固组织,但是细化了α-Al和θ相（A12Cu）的共晶组织且使其分布更加均匀。本文通过数值模拟从凝固收缩,浮游晶和强迫对流三方面详细研究模型参数,铸造工艺和电磁场对铸锭宏观偏析的影响规律,其规律为：临界固相率和渗透率增加,铸锭中宏观偏析程度加重；铸造速度减小,冷却强度增加和浇注温度降低,铸锭中的宏观偏析减弱；施加电磁场,铸锭的中心负偏析减弱,近表面偏析加重；电磁场频率增加,铸锭中心负偏析不变,近表面偏析加重；电磁场强度增加,铸锭中心负偏析和近表面偏析均减小。通过本文的研究可知,降低铸造速度,增加冷却强度,降低浇注温度和低频高强电磁场的施加均会减弱铸锭的宏观偏析,为实际生产提供理论依据与技术支持。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 铝合金DC铸造
• 1.1.1 铝合金DC铸造工艺
• 1.1.2 电磁场在铝合金DC铸造中的应用
• 1.1.3 DC铸造的凝固过程
• 1.2 铝合金DC铸造过程中的宏观偏析
• 1.2.1 DC铸造过程宏观偏析的表达形式
• 1.2.2 DC铸造过程宏观偏析的影响因素
• 1.3 宏观偏析的数值模拟
• 1.3.1 连续介质模型
• 1.3.2 体积平均模型
• 1.3.3 两相模型与多尺度、多相模型
• 1.4 本文的研究目的和内容
• 第2章 铝合金DC铸造过程的数学模型
• 2.1 DC铸造过程的控制方程
• 2.2 DC铸造过程凝固的数学模型
• 2.3 LFEC过程中电磁场的控制方程
• 2.4 边界条件
• 2.4.1 电磁场计算的边界条件
• 2.4.2 流场和温度场的边界条件
• 第3章 DC铸造宏观偏析的实验研究
• 3.1 实验材料和实验方法
• 3.1.1 实验合金及熔炼方法
• 3.1.2 实验设备
• 3.1.3 半连续铸造
• 3.1.4 温度的测量
• 3.1.5 微观组织分析
• 3.1.6 铸锭横截面宏观偏析的测量
• 3.2 实验的结果与分析
• 3.2.1 低频电磁场对铸锭微观组织的影响
• 3.3 小结
• 第4章 AL-4.5%CU半连续铸造过程宏观偏析的数值模拟
• 4.1 Φ200mm铸锭半连续铸造过程的数值实现
• 4.1.1 Al-4.5%Cu的物性
• 4.1.2 边界条件
• 4.1.3 网格模型
• 4.2 数学模型的验证
• 4.3 模型参数的影响
• 4.3.1 临界固相率的影响
• 4.3.2 渗透率的影响
• 4.3.3 模型参数的确定
• 4.4 铸造工艺参数对宏观偏析的影响
• 4.4.1 铸造速度的影响
• 4.4.2 浇注温度的影响
• 4.4.3 冷却强度的影响
• 4.5 电磁场对宏观物理场的影响
• 4.5.1 电磁场的计算结果
• 4.5.2 电磁场对铸造过程熔体流动的影响
• 4.5.3 电磁场对温度场的影响
• 4.5.4 电磁场对溶质场和宏观偏析的影响
• 4.6 电磁参数对宏观物理场的影响
• 4.6.1 电磁场频率对宏观物理场的影响
• 4.6.2 电磁场强度对宏观物理场的影响
• 4.7 小结
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢