【摘 要】
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铝及铝合金材料由于具有储量丰富、密度低、比强度高、耐腐蚀性能良好以及机械加工性能优异等特点,被日益广泛地应用于航空航天、汽车制造、建筑行业以及日常生活等领域。铸锭是合金材料后续加工制备的母材,其质量好坏对产品最终组织、性能有着至关重要的影响。铝合金铸锭的质量与其凝固过程及组织密切相关。由等轴、细小、均匀晶粒组成的铝合金凝固组织不仅可以保证铸件成分的均匀性以及良好的机械加工性能,同时也会极大地降低铸
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铝及铝合金材料由于具有储量丰富、密度低、比强度高、耐腐蚀性能良好以及机械加工性能优异等特点,被日益广泛地应用于航空航天、汽车制造、建筑行业以及日常生活等领域。铸锭是合金材料后续加工制备的母材,其质量好坏对产品最终组织、性能有着至关重要的影响。铝合金铸锭的质量与其凝固过程及组织密切相关。由等轴、细小、均匀晶粒组成的铝合金凝固组织不仅可以保证铸件成分的均匀性以及良好的机械加工性能,同时也会极大地降低铸件的热裂倾向,减少缩松、缩孔等铸造缺陷。当前工业生产中普遍使用Al-Ti-B（C）细化处理铝合金凝固组织晶粒。深入研究Al-Ti-B（C）细化处理铝合金凝固组织形成机理及控制方法,具有重要的科学与实际意义。经Al-Ti-B（C）细化处理的铝熔体凝固过程影响因素十分复杂,对其进行建模与模拟研究有利于揭示其凝固组织形成过程。元胞自动机方法由于计算效率高、物理意义明确等优点,已经成为铝合金凝固组织演变过程模拟的强力工具之一。但目前,元胞自动机方法计算形核时通常基于实验数据,且未耦合计算铝熔体内TiB2/TiC异质核心粒子的动力学过程,不能真实地描述Al-Ti-B（C）细化处理铝合金凝固组织形成过程。本文将建立凝固模型,并通过实验与模拟相结合的方式,研究细化处理条件下铝合金凝固组织形成过程的影响因素以及控制铝合金铸锭凝固组织的方法。具体研究内容如下:建立Al-Ti-B（C）细化处理铝合金凝固组织形成过程的模型。该模型考虑了铝熔体内TiB2/TiC异质核心粒子的形核、扩散长大/溶解、Ostwald熟化等动力学行为,铝熔体凝固早期α-Al异质形核、晶粒球状生长动力学行为以及凝固后期晶粒的枝晶生长。模型使用群体动力学方法描述铝熔体内TiB2/TiC异质核心粒子的动力学行为和α-Al异质形核、晶粒初始球状生长过程,用元胞自动机方法描述晶粒枝晶生长过程。与文献报道的实验结果对比,验证所建立的凝固模型。实验与模拟相结合分析Al-Ti-C细化处理Al-Cu合金凝固组织形成过程,研究细化剂添加量、熔体保温时间与熔体冷速对Al-Cu合金凝固组织形成过程的影响,结果表明:TiC异质核心粒子的动力学行为会改变α-Al形核开始前熔体内TiC的数量密度及尺寸分布,并对Al-Cu合金凝固组织形成过程产生重要影响,α-Al异质形核过程分为两个阶段,Ⅰ):形核初始时,熔体中存在充足的有效异质核心,α-Al形核主要受熔体过冷度控制,形核率随熔体过冷度的增大逐渐增高;Ⅱ):形核开始不久后,α-Al形核由熔体中有效异质核心粒子数量密度控制,新生成的晶核数量密度等于有效异质核心粒子数量密度,直到形核停止。提出了预测Al-Ti-C细化处理铝合金凝固组织晶粒尺寸的经验公式。实验与模拟相结合研究连续凝固条件下Al-Ti-B细化Al-Zn-Mg-Cu合金凝固组织形成过程,分析细化剂添加量、熔体冷速、细化剂中TiB2异质核心粒子尺寸分布对Al-Zn-Mg-Cu合金连续凝固组织形成过程的影响,结果表明:铝合金连续凝固过程中α-Al形成后会发生部分晶核溶解消失的现象,溶解的分数首先随细化剂添加量以及熔体冷速的增加逐渐增加,达到一个临界值后,晶核溶解的分数基本不变,保持在1/3左右。连续凝固Al-Zn-Mg-Cu合金的晶粒尺寸随Al-Ti-B细化剂添加量以及熔体冷速的增加逐渐降低,达到临界值后,晶粒尺寸缓慢减小。晶粒细化效果与细化剂添加量、熔体冷却速度和细化剂中TiB2粒子的尺寸分布相关。提出了预测Al-Ti-B细化处理铝合金晶粒尺寸的经验公式。
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