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层状金属复合材料,是将两种或多种具有不同特性的金属或合金在目标界面处实现牢固结合获得的一种新型复合材料,被广泛地应用于汽车工业、飞机制造、化工环保设备等领域,例如已在汽车工业中广泛商用的制作热交换器的3系/4系铝合金复层材料。目前层状金属复合材料的制备成形技术主要包括爆炸焊接法、轧制复合法、连续铸造法等。其中,采用连铸工艺生产的层状金属复合材料,具有界面清洁且结合强度高、经济环保、可连续化生产等优点,受到国内外学者越来越多的关注。但是,在连续铸造法制备层状金属复合材料的过程中,如何避免金属液的相互混流从而获得平整、连续、稳定以及牢固的复合界面,仍然是该技术亟需解决的关键问题。本文选取层状金属复合材料工业生产中常用的3系和4系铝合金为典型,以不同形状的铝合金层状复合材料为对象,针对连续铸造过程中复合界面的控制问题以及复层铸坯的成型问题进行研究,以期为铝合金层状复合材料直冷连续铸造制备技术的工业化应用提供了理论指导和研究思路。本文建立了一个描述铝合金层状复合材料直冷连续铸造过程准稳态阶段的数学模型,该数学模型实现了包含电磁、流动、传热以及凝固在内的多物理场的耦合计算,为模拟不同形状的铝合金层状复合材料的连铸过程提供了理论基础。利用该模型可以研究不同工艺参数对各形状铝合金层状复合材料直冷连续铸造过程的影响,分析铝合金层状复合界面的稳定性和完整度,有效地指导铝合金层状复合材料连铸坯的制备。首先对外径为160mm的3003/4004铝合金层状复合圆坯的直冷连续铸造过程进行了数值模拟与实验研究。根据计算得到的合金固相率在铸造方向上的变化规律,确立了通过对比界面处先凝的3003合金的最小固相率与枝晶搭接时固相率的大小关系,来判断3003/4004铝合金层状复合圆坯在连铸过程中的界面稳定性和完整度的方法。数值模拟结果显示,当铸造速度为50-70mm/min,环形挡板内冷却水流量为500-900L/h,3003合金浇注温度为973-1013K,4004合金浇注温度为873-933K时,界面处先凝的3003合金最小固相率的值均大于枝晶搭接时的固相率,均可形成强度足够的3003合金半固态凝壳来保持层状复合界面的稳定性和完整度。不同铸造参数对于层状复合界面处先凝的3003合金最小固相率影响程度的强弱为:铸造速度>环形挡板内冷却水流量>3003合金浇注温度>4004合金浇注温度。根据数值模拟结果,选取铸造速度为60mm/min,3003和4004合金的浇注温度分别为993K(720℃)和903K(630℃),环形挡板和结晶器的水流量分别为700L/h和1200L/h,采用直冷连续铸造的方法成功制备出了界面复合良好3003/4004铝合金层状复合圆坯。其次对横截面为300mmX 160mm的3003/4004铝合金层状复合板坯的直冷连续铸造过程进行了数值模拟与实验研究。数值模拟结果表明,当挡板冷却水流量为250-300L/h,挡板冷却区高度为20-30mm,铸造速度为60-70mm/min,3003合金浇注温度为963-1003K,4004合金浇注温度为943K时,界面处先凝的3003合金的最小固相率大于枝晶搭接时的固相率;当其他工艺参数不变,将挡板冷却水流量减小为200L/h,或将挡板冷却区高度减小为10mm,或将铸造速度增大为80mm/min时,界面处先凝的3003合金的最小固相率小于枝晶搭接时的固相率。根据数值模拟结果,选取3003合金浇注温度为983K(710℃),4004合金浇注温度为943K(670℃),铸造速度为70mm/min,挡板冷却水流量为250L/h,挡板冷却区高度为20mm,采用直冷连续铸造技术获得了界面清晰平直的3003/4004层状复合板坯。当其他工艺参数不变,将铸造速度增大为80mm/min,或将挡板冷却水流量减小为200L/h时,实验制得的层状复合板坯的界面处均有少量混流,这与数值模拟的结果相吻合。最后针对薄壁管坯近终形连铸过程中充型困难的问题,开发了利用旋转电磁搅拌作用进行电磁充型的层状复合管坯水平连铸技术,对外径为86mm壁厚为21mm的3003/4045铝合金层状复合管坯的电磁充型水平直冷连铸过程进行了数值模拟与实验研究。模拟结果显示,施加电流大小为80A频率为50Hz的旋转电磁搅拌时,层状复合管坯外层和内层的最大电磁力分别可达到19000N/m3和4000N/m3,可实现对层状复合管坯熔体的有效搅拌。施加旋转电磁搅拌能够使内外层合金熔体发生强烈的受迫对流,外层与内层的合金熔体的最大流速由0.002m/s和0.00371m/s分别增加至0.25m/s和0.35m/s,因此电磁充型技术能够显著增强内外层合金熔体的流动及充型能力,有利于解决薄壁层状复合管坯近终形连铸过程中充型困难的问题。当3003合金铸造温度1003K(730℃),4045合金铸造温度963K(690℃),结晶器冷却水流量1000L/h,铸造速度为120mm/min时,采用水平连续铸造技术成功制备出了 3003/4045铝合金层状复合管坯。未施加旋转电磁搅拌时,层状复合管坯的宏观组织不均匀且内部晶粒多为粗大的柱状晶;施加旋转电磁搅拌后,4045合金糊状区的轴向深度增加了 27mm,轴向温度梯度减小了 4.4K/cm,3003合金糊状区的轴向深度增加了 17mm,轴向温度梯度减小了 38.1K/cm,复层管坯宏观组织中粗大柱状晶消失,晶粒细小均匀,并且一定程度上促进了复合界面处元素的扩散。电磁搅拌作用导致的内外层合金熔体糊状区域增大,糊状区内温度梯度减小,以及强烈的熔体对流是层状复合管坯晶粒细小均匀的主要原因。