SCR技術(shù)制備A2017合金半固態(tài)材料組織演化與擴展成形.pdf

1、本文研究工作是國家自然科學(xué)基金和上海寶鋼集團公司聯(lián)合資助項目“SCR技術(shù)制備半固態(tài)材料組織演化與擴展成形機制”(No.50274020)的部分內(nèi)容，以A2017合金為對象，系統(tǒng)研究了一種能夠連續(xù)高效制備半固態(tài)金屬的技術(shù)，即單輥剪切冷卻技術(shù)(Shearing/CoolingRollprocess，簡稱SCR技術(shù))，并根據(jù)SCR技術(shù)的設(shè)備結(jié)構(gòu)及工藝特點，提出半固態(tài)金屬的連續(xù)擠壓擴展成形新工藝，解決了SCR技術(shù)制備半固態(tài)金屬與成形的一體化和連

2、續(xù)化問題，主要工作及獲得的研究成果如下： (1)設(shè)計和建立一臺SCR實驗機，采用實驗機制備A2017合金半固態(tài)漿料，并流變鑄造成半固態(tài)錠坯，揭示了SCR工藝參數(shù)對半固態(tài)合金漿料組織的影響規(guī)律，優(yōu)化了流變鑄造工藝參數(shù)。結(jié)果表明，隨著熔體澆注溫度的降低或者輥靴型腔高度的減小，半固態(tài)合金漿料組織從粗大的枝晶和玫瑰晶逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小均勻的等軸晶。在本實驗機設(shè)計的技術(shù)參數(shù)條件下，澆注溫度為760～780℃，輥靴型腔高度為4～6mm，SCR技

3、術(shù)制各的A2017合金半固態(tài)漿料可直接流變鑄造得到質(zhì)量良好的半固態(tài)合金錠坯； (2)通過對SCR技術(shù)制備A2017合金半固態(tài)漿料輥靴型腔內(nèi)組織演化過程的實驗觀察，認(rèn)為SCR技術(shù)制備半固態(tài)合金漿料過程存在搓動剪切動態(tài)凝固機制，使輥靴型腔內(nèi)合金形成動態(tài)凝固形核→枝晶破碎→晶粒細(xì)化球化的組織演化過程，即熔體首先在冷卻靴和工作輥表面凝固形核并以枝晶形態(tài)生長，在剪切攪拌作用下，枝晶脫落，部分枝晶退化成玫瑰晶，隨著剪切攪拌作用的加強，枝晶和

4、玫瑰晶破碎形成細(xì)小的等軸晶，等軸晶在碰撞摩擦過程中可形成球形晶； (3)首次采用有限元法對半固態(tài)合金連續(xù)擠壓擴展成形過程熱流耦合場進行三維數(shù)值模擬，建立了半固態(tài)合金連續(xù)擠壓擴展成形過程的計算模型，確定了計算模型的邊界條件和A2017合金的熱物性參數(shù)，獲得了輥靴型腔和模腔內(nèi)合金溫度場和流場，揭示了工藝參數(shù)和模具設(shè)計參數(shù)對溫度場和流場的影響規(guī)律。模擬結(jié)果為優(yōu)化工藝參數(shù)、設(shè)計擴展成形模具、控制產(chǎn)品組織等半固態(tài)金屬的連續(xù)制備與成形提供了

5、理論依據(jù)； (4)設(shè)計和建立了半固態(tài)連續(xù)擠壓擴展成形機構(gòu)，通過對A2017合金半固態(tài)漿料的制備與連續(xù)擠壓擴展成形扁型材和半固態(tài)圓棒坯實驗，對擴展成形工藝、模腔內(nèi)金屬流動規(guī)律、擴展成形模具的設(shè)計以及產(chǎn)品的組織性能進行了系統(tǒng)研究，優(yōu)化了擴展成形工藝。結(jié)果表明，熔體澆注溫度為780℃，模具擴展角為45°，模具預(yù)熱溫度為450℃，采用半固態(tài)連續(xù)擠壓擴展成形工藝，可制備表面質(zhì)量良好，內(nèi)部組織為細(xì)小均勻等軸晶的A2017合金扁型材和半固態(tài)圓

6、棒坯。同時，數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果基本吻合，證明模擬結(jié)果合理； (5)對SCR技術(shù)流變鑄造A2017合金半固態(tài)錠坯和擠壓擴展成形A2017合金半固態(tài)圓棒坯進行二次加熱，揭示了坯料二次加熱過程中的組織演化規(guī)律。結(jié)果表明，兩種坯料在二次加熱過程中，隨著保溫時間的延長，晶粒逐漸長大和球化，液相逐漸增加。625℃恒溫保溫60min，兩種坯料均可獲得由球形晶粒和液相組成的理想半固態(tài)組織，證明SCR技術(shù)制備的A2017合金流變鑄造半固態(tài)錠坯

7、和擠壓擴展成形半固態(tài)圓棒坯均可適合作為觸變成形的半固態(tài)坯料； (6)采用Gleeble-1500熱模擬實驗機，對SCR技術(shù)流變鑄造A2017合金半固態(tài)錠坯進行壓縮變形實驗，對壓縮變形力學(xué)特性和變形機制進行了研究。實驗結(jié)果表明，半固態(tài)合金錠坯的壓縮變形過程可分為三個階段，即彈性變形階段、穩(wěn)定流動變形階段和固相偏聚變形階段。在穩(wěn)定的流動變形階段，變形機制主要是液相流動、阻尼液相流動和固相顆粒的轉(zhuǎn)動和滑動機制組成，變形抗力小，并且變形

8、抗力隨著變形溫度的升高或者變形速率的下降而下降； (7)首次對半固態(tài)金屬的觸變軋制成形進行研究，包括軋制成形工藝、軋材的組織和力學(xué)性能等。結(jié)果表明，A2017合金半固態(tài)坯料觸變軋制過程出現(xiàn)了固相與液相分離現(xiàn)象，球狀固相顆粒偏聚在板材心部，而液相偏聚在板材邊部。半固態(tài)坯料加熱溫度為625℃，軋制速度可達30r/s，一道次變形量可達80％，觸變軋制板材表面光亮平整，抗拉強度和延伸率分別為336MPa和2.5％。板材經(jīng)冷軋變形后，抗拉