行波磁場作用下ZL205A合金凝固組織及缺陷形成規(guī)律.pdf

1、ZL205A是強度高、綜合性能較好的鑄造鋁合金，同時還具有良好機械加工性能，是航空航天以及汽車工業(yè)領(lǐng)域的重要結(jié)構(gòu)材料。但是 ZL205A合金鑄造性能較差，大型鑄件生產(chǎn)過程中易形成疏松、偏析等缺陷，疏松與偏析成為影響該合金大型鑄件性能的主要缺陷。開發(fā)或者完善現(xiàn)有的鑄造工藝，避免疏松和偏析缺陷的發(fā)生，對 ZL205A合金在大型鑄件上的應(yīng)用具有重要的意義。本文利用行波磁場在合金熔體中產(chǎn)生的特殊作用力，對合金溶質(zhì)分布以及凝固補縮產(chǎn)生作用，達到消

2、除比重偏析、增加凝固補縮的目的。
　　通過數(shù)值模擬，分析了勵磁電流強度、勵磁電流頻率等行波磁場控制參數(shù)和鑄件位置、鑄件壁厚等鑄件的結(jié)構(gòu)參數(shù)對鑄件內(nèi)各位置的電磁力和平均電磁力密度的影響規(guī)律。各位置處的電磁力及鑄件的平均電磁力密度與勵磁電流強度的平方呈線性關(guān)系，隨著勵磁電流強度的增加，各位置處的電磁力及鑄件的平均電磁力密度迅速增加。隨著勵磁電流頻率增加，各位置處的電磁力及鑄件的平均電磁力密度均存在極限值，其數(shù)值先增加后減小。隨著鑄件與

3、行波磁場發(fā)生器相對距離和鑄件壁厚的增加，各位置處的電磁力及鑄件的平均電磁力密度均明顯地減小，分布趨向平緩。
　　以衰減系數(shù)表示電磁力在合金熔體內(nèi)衰減速度，衰減系數(shù)越大，合金熔體內(nèi)感應(yīng)產(chǎn)生的電磁力衰減速度越快。建立了與衰減系數(shù)相關(guān)的電磁力空間分布函數(shù)，并基于此函數(shù)建立了行波磁場對合金熔體壓力梯度和流場的影響模型。研究了平均電磁力密度、衰減系數(shù)表示的電磁力在不同壁厚鑄件的合金熔體流動的速率分布以及臨界零速率位置的影響規(guī)律。隨著平均電磁

4、力密度的增加，行波磁場引起的合金熔體的速率呈線性增加；隨著衰減系數(shù)的增加，合金熔體的形成環(huán)流的流動速率先增加后減小，也就是流動速率存在極值，隨著鑄件壁厚以及電磁力衰減系數(shù)的增加，臨界零速率位置逐漸向行波磁場發(fā)生器一側(cè)偏移。
　　ZL205A合金是多組元多相合金，其凝固過程中出現(xiàn)的各相比重存在差異，很容易由于各相受力不均形成相的偏聚，甚至形成偏析缺陷。各相的電導(dǎo)率也存在較大差異，在電磁場作用下也會出現(xiàn)類似的現(xiàn)象。偏析現(xiàn)象主要表現(xiàn)為溶

5、質(zhì)和相分布不均勻，本文先以 ZL205A合金中的溶質(zhì) Cu為研究對象，通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，行波磁場的勵磁電流強度的越大，成分分布的越均勻。進一步對容易形成比重偏析的相進行研究發(fā)現(xiàn)，行波磁場的勵磁電流強度越大，相分布得越均勻，相應(yīng)形成的晶粒尺寸也比較均勻。通過分析發(fā)現(xiàn)這是由于行波磁場在合金熔體內(nèi)形成的電磁力誘發(fā)了合金熔體的流動，隨著熔體流動速率的增加，相間粘滯力超過各相之間電磁力和比重的差異，使得 ZL205A合金鑄件的凝固組織，隨著流動速

6、率的增加各相的分布也更加均勻。
　　對不同壁厚鑄件在凝固過程中施加行波磁場，研究了行波磁場對 ZL205A合金鑄件密度、凝固組織、抗拉強度和延伸率以及斷口形貌等方面的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，行波磁場可以明顯地促進合金的凝固補縮過程；其補縮效果與鑄件壁厚、行波磁場方向有關(guān)，合金熔體內(nèi)感應(yīng)產(chǎn)生的電磁力與合金熔體補縮方向相同時可以促進補縮過程進行；對于一定壁厚的鑄件，存在最佳的勵磁電流強度，超過這個強度后，行波磁場對凝固補縮的促進作用逐漸減