【摘 要】
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铝锂合金具有高强度、低密度,良好的强度与韧性匹配,各向异性小,热稳定性好,同时具有良好的耐腐蚀和加工成形性,是经过实际应用验证的重要航空材料,大量应用于飞机机身蒙皮、地板梁与支柱中。目前,铝锂合金都采用常规的铸造+热轧工艺生产,工艺流程长,生产效率低,能耗大。采用铸轧工艺制备铝锂合金板材可以缩短工艺流程,节省生产成本,同时提高铝锂合金板带的性能。本文采用数值模拟的方法对铝锂合金板带连续铸轧过程的温
【基金项目】
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国家自然科学基金项目“基于薄带连铸的轻合金全流程一体化设计及制造基础”;
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铝锂合金具有高强度、低密度,良好的强度与韧性匹配,各向异性小,热稳定性好,同时具有良好的耐腐蚀和加工成形性,是经过实际应用验证的重要航空材料,大量应用于飞机机身蒙皮、地板梁与支柱中。目前,铝锂合金都采用常规的铸造+热轧工艺生产,工艺流程长,生产效率低,能耗大。采用铸轧工艺制备铝锂合金板材可以缩短工艺流程,节省生产成本,同时提高铝锂合金板带的性能。本文采用数值模拟的方法对铝锂合金板带连续铸轧过程的温度场、流场进行模拟,探索工艺参数对铸轧板带凝固过程的影响,为改善铸轧板带的中心层偏析,提高铸轧板带质量提供理论和技术支撑。论文得到以下结论:(1)运用ANSYS有限元模拟软件建立了铸轧区的二维数值模型,模拟结果表明随着铸轧速度的提高,铸轧板带出口温度不断升高,当铸轧板带厚度为6 mm,浇铸温度700℃,铸轧速度超过1.15m·min-1容易造成跑汤的风险。(2)研究了铸轧区内2099铝锂合金的温度变化过程,研究发现铸轧区心部与表面的温度有相同的变化过程,都经过了快速降低、缓慢下降、随后下降速度又不断加快的过程,并且增大平均换热系数和降低铸轧速度可以加快温度下降的速度。(3)研究了浇铸温度700℃,铸轧速度0.85 m·min-1,换热系数6500 W·m-2·℃-1时铸轧区内部熔体的流动特征。在流场内部存在两组对称分布的回流区,入口处的回流区有助于将内部的凝固潜热释放出来,推动熔体向辊面的流动。而心部回流区是由于糊状区前端的轧制变形力较大,将糊状区内液相挤出造成的。随着铸轧速度的提高,心部的回流区逐渐消失,液穴深度和糊状区尺寸逐渐增大。(4)依据模拟结果进行了铸轧实验,并根据测定的铸轧板带出口温度与模拟结果进行比较,确定本实验条件下的界面平均换热系数为6500 W·m-2·℃-1,并通过铸轧板带心部二次枝晶臂间距的对比验证了模型的可靠性。研究得到在实验室水平铸轧机生产2099铝锂合金6 mm厚铸轧板带最佳浇铸温度为690℃,最佳铸轧速度为0.85 m·min-1,此时在铸轧区内部出现中心回流区,铸轧板带中心层偏析得到明显改善。(5)结合数值模拟与实验研究的结果,发现液穴深度Z1、糊状区长度Z2与中心层偏析有直接关系,液穴深度Z1、糊状区长度Z2与铸轧区长度Z之比超过产生中心回流区的最大比值时,中心层偏析向着更严重的方向发展。而中心层偏析得以改善归因于铸轧区心部回流区的形成。
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