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双流浇注连续铸造(DSPCC)技术可以实现两种不同成分合金在铸造状态下的冶金结合,是一种制备梯度复合材料的铸造成形方法,该方法在Al/Al-Si、Al-Si/Al、Al-Cu/Al和2024/3003等梯度复合材料中得到了初步验证,但所研究的对象都局限于铝合金。为了扩大研究对象,有必要针对不同合金体系展开研究。针对不同合金体系之间材料性能差异较大从而对设备要求更高的需要,本文首先对原有的试验设备进行相应的改进,目的是提高设备的稳定性和可靠性,进而利用新设备进行连铸试验,分析试验中铸锭缺陷产生的原因,最后采用双流浇注半连续铸造技术研制内层为镁合金,外层为纯铝的梯度复合材料。主要的研究内容和结论如下:
由于材料研制对设备的要求不断提高,在实验室现有条件上,进行了连铸设备的改进。将原设备的钢丝绳传动机构改进为液压传动机构,传动机构的运行可以采用点动和自动方式,实现了无级调速。传动的稳定性较原有设备有很大的提高,且新设备的自动化程度也有相应的提高。采用纯铝为原料进行设备调试,能顺利制备出铸锭,满足本课题实验的要求。
结合自制设备的特点,在大量试验的基础上,总结了试验过程中铸锭的宏观缺陷的类型和产生原因。试验结果发现,铸锭宏观缺陷可分为铸锭表面开裂,断裂,拉漏,表面瘤四类。缺陷产生的共同诱因是结晶器内壁与熔体的凝壳之间存在气隙区,结晶器自身的石墨套外壁与结晶器之间也会产生气隙区,这两个气隙区的出现会导致熔体的凝壳在结晶器内产生微裂纹。凝壳表面的微裂纹如果不能得到芯部的熔体及时补充,在凝壳所受合力的作用力下就会产生更大的宏观表面裂纹,甚至出现拉断现象;而如果微裂纹得到芯部熔体过量的补充就会倾向于出现拉漏或表面瘤这些缺陷。
采用双流浇注连续铸造技术进行了制备Mg-Al/Al梯度复合材料的探索。从试验结果可以看出,所制备的镁铝/铝复合材料在显微组织、成分分布和硬度分布之间存在一定的对应关系。此外在内层合金和外层合金之间,没有出现裂纹或者剥离,内外层合金之间实现了冶金结合。通过合金的宏观组织形貌以及成分分布和硬度分布发现,在半径小于20 mm范围内,铸锭横截面上的硬度和成分分布发生了很大的波动,主要原因是梯度复合材料在内外层合金之间发生了剧烈的对流混合。由于两种熔体的密度差加剧了两种熔体的对流混合。因此,如何通过控制铸造工艺参数来避免因材料特性差异引起的对流,是双流浇注连续铸造制备镁/铝梯度复合材料中的一个关键技术。