基于實(shí)時(shí)觀察的鋁合金中微孔形成與演化研究.pdf

1、微孔是鋁合金鑄件中主要的缺陷之一,其存在嚴(yán)重降低材料的力學(xué)性能,尤其疲勞性能。通過優(yōu)化澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和鑄造工藝,精煉處理熔體,預(yù)測和控制鑄件中微孔數(shù)量與尺寸,人們期望最終能制造出高可靠性的鑄件。這就需要對(duì)凝固過程中微孔形成機(jī)制、形貌演化過程、運(yùn)動(dòng)行為及其與凝固組織間的交互作用機(jī)制有充分的認(rèn)識(shí),而使用X-ray實(shí)時(shí)觀察技術(shù)是最直接有效的研究方法,也是當(dāng)前凝固領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一,對(duì)發(fā)展凝固理論與指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)有重要意義。
　　 本文自

2、行設(shè)計(jì)與制造了一套用于實(shí)時(shí)觀察合金固液相變過程的裝置——微焦點(diǎn)X-ray定向凝固實(shí)時(shí)成像裝置(X-ray Imaging and Directional Solidification Stage,簡稱XIDS)。該裝置包括四個(gè)部分:微焦點(diǎn)X-Ray及成像系統(tǒng)、定向凝固裝置、試樣船及冷卻系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)。該試驗(yàn)裝置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬合金凝固與熔化兩個(gè)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察,可清晰觀察微孔缺陷的演化過程。經(jīng)進(jìn)一步改進(jìn),還可以對(duì)微孔與凝固組織的交互作

3、用過程進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察研究,也可以對(duì)泡沫鋁一次與二次發(fā)泡過程進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察研究。
　　 使用該裝置實(shí)時(shí)觀察研究了凝固速度對(duì)亞共晶鋁硅合金定向凝固過程中微孔形成的影響規(guī)律,并定量統(tǒng)計(jì)了微孔當(dāng)量半徑、孔密度與孔隙率的變化過程。研究發(fā)現(xiàn),孔密度停止增加時(shí)孔隙率仍繼續(xù)增加。凝固過程中孔密度和孔隙率的增加可以分為兩個(gè)階段,在前一個(gè)階段孔隙率的增加主要是由于新孔的形成和生長導(dǎo)致,而后期孔隙率的增加主要依賴于先形成微孔的生長。凝固速度的增加可以使試

4、樣中微孔密度增加速率顯著增加。
　　 對(duì)近共晶與亞共晶鋁硅合金凝固過程中微孔的形成與演變過程進(jìn)行了實(shí)時(shí)觀察研究,記錄了凝固過程中微孔的各種運(yùn)動(dòng)行為。通過考察亞共晶鋁硅合金柱狀枝晶和等軸枝晶兩種凝固模式下的微孔演化行為,發(fā)現(xiàn)鑄件中微孔在其形成初期均是球形微孔,在生長后期由于枝晶骨架的空間限制使得微孔形貌沿枝晶變形,形成不規(guī)則形貌的微孔,因此無論具有規(guī)則球形形貌還是極不規(guī)則形貌的微孔均是由氣孔演化而來。實(shí)際生產(chǎn)中,鑄件中微孔形貌不能

5、用來作為判斷微孔成因的主要依據(jù)。通過對(duì)近共晶鋁硅合金凝固過程中微孔形貌演變過程研究發(fā)現(xiàn),微孔的形貌也存在多樣性,并非單一的球形形貌。微孔的形貌由與固液界面競爭生長決定,并提出微孔與固液界面協(xié)同生長模型。微孔的形貌受以下幾個(gè)因素影響:凝固速度、初始?xì)浜?、微孔初始曲率半徑。基于格子波爾茲曼?LBM),耦合元胞自動(dòng)機(jī)(CA)數(shù)值模擬研究了與固液界面協(xié)同生長時(shí)微孔形貌演變規(guī)律,為控制微孔形貌奠定基礎(chǔ)。
　　 使用鋁錫合金,實(shí)時(shí)觀察到

6、在定向凝固過程中微孔的形成過程,及微孔引起溶質(zhì)異常偏析的現(xiàn)象。凝固過程中隨著微孔的形成,在微孔周圍尤其在上方形成異常偏析區(qū),Sn元素最終大多在微孔上方集中呈網(wǎng)狀分布。實(shí)時(shí)觀察到了微孔與凝固前沿之間的交互作用全過程,微孔的存在不僅引起異常偏析,還改變了凝固過程中固液界面的形貌,在微孔下方形成凸起,而在微孔上方的區(qū)域凝固之后形成凹界面。使用有限差分法和元胞自動(dòng)機(jī)法數(shù)值模擬研究了微孔對(duì)其周圍溫度場及固液界面形貌的影響過程。分析認(rèn)為這是由于微孔

7、的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于金屬合金的熱導(dǎo)率,導(dǎo)致在垂直定向凝固過程中,在同一水平線上,微孔上部存在高溫區(qū),下部存在低溫區(qū)。產(chǎn)生了水平方向上的溫度梯度和濃度梯度,造成富Sn液相向微孔上方聚集,以及凝固前沿在微孔下方突起,上方形成凹界面。微孔上方聚集的富Sn液相向下流動(dòng)使得微孔下方也存在偏析。
　　 對(duì)具有高孔隙率的金屬型鑄造近共晶、亞共晶鋁硅合金薄板重熔過程進(jìn)行了實(shí)時(shí)觀察,研究了重熔過程中微孔的演化及去向。近共晶合金重熔過程中微孔大多上浮逸

8、出熔體;亞共晶合金中的微孔從分枝發(fā)達(dá)的形貌逐漸聚集成球形然后上浮逸出熔體,這也說明亞共晶合金中極不規(guī)則的微孔大多是氣孔演變而來。這些現(xiàn)象對(duì)降低合金中的含氫量具有參考意義,從而提出一種簡單有效的除氣方法——重復(fù)熔化凈化鋁及鋁合金熔體工藝。在實(shí)驗(yàn)室條件下,使用該工藝分別對(duì)初始孔隙率較高的純鋁、近共晶鋁硅合金和亞共晶鋁硅合金進(jìn)行了凈化試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)使用該工藝可大大降低鋁及鋁合金的孔隙率,起到較好的除氣效果。該工藝在工業(yè)生產(chǎn)中有廣闊的應(yīng)用前景。