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7050铝合金半连续铸造过程中的宏观偏析

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摘要

第1章绪论

1.1高强度铝合金和DC铸造技术

1.1.1高强度铝合金

1.1.2铝合金半连续铸造

1.1.3电磁场在半连续铸造中的应用

1.1.4气刀在DC铸造二冷区的应用

1.2微观偏析

1.2.1固相不完全扩散,液相中完全混合的溶质再分配

1.2.2平衡凝固

1.2.3固相中无扩散,液相中完全混合的溶质再分配

1.3宏观偏析

1.3.1宏观偏析的定义及分类

1.3.2宏观偏析的形成机制

1.3.3宏观偏析的数值模拟

1.4本文的研究目的和主要内容

第2章铝合金铸造过程宏观偏析的数学模型

2.1 DC铸造过程的控制方程

2.2 DC铸造凝固的数学模型

2.3低频电磁铸造(LFEC)过程的电磁场控制方程

2.4边界条件

2.4.1电磁场计算的边界条件

2.4.2流场温度场的边界条件

2.5 Fluent的实现

第3章7050铝合金半连续铸造的实验研究

3.1 7050铝合金的半连续铸造

3.1.1实验材料

3.1.2合金熔炼

3.1.3低频电磁半连续铸造

3.1.4气刀半连续铸造

3.1.5温度测量

3.1.6铸锭截面金相组织与宏观偏析的测量

3.2实验结果与讨论

第4章模型参数对DC铸造宏观偏析的影响

4.1.1 7050铝合金的物性参数

4.1.2边界条件

4.2模型参数对宏观偏析的影响

4.2.1搭接固相率(温度)

4.2.2微观偏析模型

4.2.3初始渗透率

4.2.4浮游晶大小

4.3本章小结

第5章DC铸造工艺参数对宏观偏析的影响

5.1数学模型的验证

5.2铸造速度对宏观物理场的影响

5.3电磁场对DC铸造宏观物理场的影响

5.3.1电磁场的计算结果

5.3.2 DC与LFEC(低频电磁铸造)宏观物理场

5.3.3电磁强度对宏观物理场的影响

5.4气刀距离结晶器位置对宏观物理场的影响

5.5电磁-气刀技术对宏观物理场的影响

5.6本章小结

第6章结论

参考文献

致谢

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摘要

铝合金半连续铸造过程是一个复杂的动态凝固过程,各种铸造缺陷如晶粒粗大、裂纹和组织、成份偏析等。其中宏观偏析是一种不可逆的缺陷,并且不能在后续的热处理中消除。因此,如何控制铸造凝固过程中的宏观偏析,对提高铝合金产品的质量有着重要意义。 本文以AA7050铝合金为研究对象。在研究传统铝合金半连续铸造过程中多物理场相互作用的基础上,创建了同时适合传统DC铸造以及气刀半连续铸造和低频电磁铸造的多物理场相互作用相互耦合的数学模型。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、合金凝固和溶质传输,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直径为Φ300mm圆铸锭的DC铸造、低频电磁半连续铸造、气刀半连续铸造和电磁-气刀半连续铸造过程,并且将模拟获得的铸造过程的冷却曲线以及元素的偏析值曲线,与测量的结果进行了比较,结果发现均吻合很好。 利用这个数学模型,研究了冶金学参数—搭接固相率、扩散系数、渗透率和浮游晶对半连续铸造过程宏观偏析的影响,计算结果显示:减小临界固相率、浮游晶直径和渗透率以及提高扩散系数,都能使铸锭中宏观偏析减弱;另外,本文还研究了铸造速度、气刀位置、电磁场强度以及气刀-电磁场共同作用时对铸锭宏观偏析的影响规律,其规律为:铸造速度减小,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;且电磁场强度增加,铸锭中心负偏析减弱;施加气刀,铸锭中的宏观偏析加重,且随气刀位置上移,铸锭宏观偏析程度增大;电磁场和气刀同时施加时,相对气刀半连续铸造,宏观偏析显著减轻,且随电磁场强度增加,宏观偏析减弱。 实验研究了DC铸造、低频电磁铸造、气刀DC铸造以及电磁—气刀DC铸造,获得的铸锭微观组织对比,发现施加电磁场后微观组织为细小等轴晶,且非常组织均匀,相对于DC铸造明显细化;单独施加气刀时金相组织为粗大的枝晶;电磁—气刀DC铸造相对于气刀DC铸造,枝晶形貌退化,且成蔷薇状,尺寸明显细化。

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