發(fā)布時(shí)間：2021-07-30 04:42

　　隨著航空航天輕量化的要求越來(lái)越高,鋁合金被廣泛用于制造鑄件,且對(duì)鑄件力學(xué)性能和冶金質(zhì)量提出更高要求。低壓鑄造技術(shù)在鋁合金成型方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì),近年來(lái)得到了人們?cè)絹?lái)越多的重視。但是,我國(guó)在低壓鑄造方面的研究起步較晚,特別是在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用很大程度上受到原有重力鑄造工藝設(shè)計(jì)的影響,在復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄件低壓鑄造工藝設(shè)計(jì)方面缺乏理論依據(jù)。本文針對(duì)上述問(wèn)題,系統(tǒng)研究了典型鋁合金機(jī)匣鑄件的低壓鑄造工藝與后續(xù)熱處理對(duì)鑄件缺陷及殘余應(yīng)力的影響。設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單幾何結(jié)構(gòu),通過(guò)FLOW-3D數(shù)值模擬研究了低壓鑄造過(guò)程中的型腔結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)金屬液自由表面流動(dòng)狀態(tài)影響規(guī)律,探明了ZL114A的低壓鑄造臨界充型速度。針對(duì)機(jī)匣鑄件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了五種澆注系統(tǒng)方案,并利用PROCAST對(duì)五種方案低壓鑄造過(guò)程進(jìn)行了模擬,理清了機(jī)匣鑄件缺陷控制思路,揭示了充型加壓參數(shù)對(duì)鑄件缺陷的影響規(guī)律與機(jī)制。最后,對(duì)鑄件凝固及熱處理過(guò)程的殘余應(yīng)力進(jìn)行了分析,闡明了鑄件在凝固成型以及熱處理過(guò)程中的應(yīng)力狀態(tài)。主要研究結(jié)果如下:720℃的ZL114A合金熔體低壓鑄造臨界充型速度在0.2m/s到0.3m/s之間,小于鋁合金臨界充型速度的理論值（0.5m/s... 

【文章來(lái)源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁(yè)數(shù)】：105 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

表面膜卷入過(guò)程示意圖[4]

厶迥誆康乃?隳と畢藎?諍笮?湫凸?程中都要受到流場(chǎng)的影響，隨金屬液流扭曲彎折甚至糾纏。因此可以認(rèn)為，流場(chǎng)不但會(huì)造成雙層膜，而且對(duì)其最終分布也有決定作用。除了流場(chǎng)之外，當(dāng)然由于氧化薄膜與合金熔體之間的密度差造成的浮力也對(duì)其運(yùn)動(dòng)有影響。卷入的雙層膜缺陷最終能否上浮與該密度差有關(guān)。對(duì)于密度較大的銅合金而言，卷入的雙層膜缺陷通常能夠在浮力作用下上�。o態(tài)無(wú)流動(dòng)情況下），但是對(duì)于鋁合金和鎂合金來(lái)說(shuō)，熔體與氧化層的密度差并不足以使其迅速上浮，往往長(zhǎng)時(shí)間保溫靜置熔體才能減少氧化層的相對(duì)含量[6]。圖1-2自由表面收縮后引起的表面膜折疊[5]目前，已有很多研究證實(shí)了雙層膜缺陷的存在。由于雙層膜缺陷的“三明治”結(jié)構(gòu)內(nèi)部干面與干面難以結(jié)合，因此會(huì)在凝固的鑄件內(nèi)部形成微裂紋，成為拉伸過(guò)程中斷裂的裂紋源，削弱基體的強(qiáng)度并降低延伸率。也正是因此，很多鋁合金鑄件的拉伸性能測(cè)試樣品的斷口上都能夠觀察到這種氧化層的存在。如圖1-3所示[7]，為鋁合金斷口上觀察到的氧化層，因?yàn)閿嗫趦擅婢醒趸瘜�，且兩處氧化層形狀剛好�?duì)稱(chēng)，印證了雙層膜缺陷的折疊結(jié)構(gòu)及其在拉伸斷裂中的作用。懸浮在鋁合金鑄件雙膜類(lèi)似的裂紋性質(zhì)會(huì)導(dǎo)致鑄件過(guò)早失效，從而降低機(jī)械性能（拉伸強(qiáng)度，延展性和疲勞壽命）。Al-Si-Mg的鑄態(tài)強(qiáng)度和延展性的降低與鋁合金和試樣斷口缺陷（孔隙率和氧化膜）的面積分?jǐn)?shù)有關(guān)。Campbell通過(guò)X射線觀察到了鋁合金鑄件充型過(guò)程中的液流表面折疊現(xiàn)象，并對(duì)該澆注過(guò)程獲得的試棒進(jìn)行了力學(xué)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)試棒延伸率僅為0.3%。而在同一鑄件上，距離該紊流位置250mm的另一試棒中未發(fā)現(xiàn)紊流現(xiàn)象，此無(wú)紊流試棒的延伸率達(dá)到3%。Liu和Samuel[8]等人研究了在新合金、再生合金、具有不同攪拌時(shí)間的熔體、不同熔體的保溫時(shí)間

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文-4-條件下澆注的A356鑄件。他們發(fā)現(xiàn)與其他夾雜物相比，氧化膜對(duì)機(jī)械性能的有害影響要大得多，并且在伸長(zhǎng)率百分比夾雜物/氧化膜的面積百分比的對(duì)數(shù)之間建立了線性關(guān)系。圖1-3鑄造鎂合金斷口形貌中的對(duì)稱(chēng)氧化膜結(jié)構(gòu)[7]Mi等人[9]檢測(cè)了不同充型條件下Al-4.5Cu鑄件的抗拉強(qiáng)度，結(jié)果表明，隨著充型流速增加，鑄件抗拉強(qiáng)度下降。當(dāng)充型卷入的氧化物含量增加到15±2％時(shí)，鑄件的抗拉強(qiáng)度的Weibull模數(shù)從36急劇下降到13，之后氧化物含量繼續(xù)增加，抗拉強(qiáng)度的Weibull統(tǒng)計(jì)模數(shù)保持不變。Jiang[10]發(fā)現(xiàn)Al-7Si-Mg鑄件的疲勞裂紋由試樣表面附近的氧化膜（呈折疊或纏結(jié)形式）位置萌生。Nyahumwa[11]對(duì)Al-7Si-Mg合金進(jìn)行了疲勞實(shí)驗(yàn)，采用有過(guò)濾和沒(méi)有過(guò)濾的底注式澆注系統(tǒng)澆注鑄件。對(duì)澆注獲得的鑄件進(jìn)行拋光后發(fā)現(xiàn)，底注式帶有過(guò)濾網(wǎng)的鑄件表面光滑完整，而不使用過(guò)濾網(wǎng)的鑄件表面出現(xiàn)大量網(wǎng)狀纏結(jié)的氧化物形貌。且使用過(guò)濾網(wǎng)澆注的鑄件疲勞壽命明顯高于不使用過(guò)濾網(wǎng)澆注的鑄件。且斷口分析表明疲勞裂紋是由氧化膜缺陷位置萌生的。在未加過(guò)濾的鑄件和加過(guò)濾的鑄件中，舊氧化物均充當(dāng)疲勞裂紋的裂紋源，但在未加過(guò)濾網(wǎng)的鑄件中，還發(fā)現(xiàn)了新卷入的薄氧化膜缺陷和附著在這些氧化膜上的氣孔作為疲勞裂紋的裂紋源。此外，加過(guò)濾網(wǎng)的鑄件疲勞斷裂過(guò)程中滑移機(jī)制的貢獻(xiàn)比未加過(guò)濾網(wǎng)的鑄件更大。通過(guò)兩參數(shù)Weibull統(tǒng)計(jì)分析氧化膜缺陷與鑄件疲勞壽命的關(guān)系，表面新卷入的氧化膜比舊的氧化膜對(duì)疲勞壽命危害更大[12]。Haberl[13]等人對(duì)LM25鑄件的疲勞壽命進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著熔體中氧化物含量減低，鑄件疲勞壽命循環(huán)次數(shù)從120000增加到了220000。除此之外，雙層膜缺陷還是縮松和氣孔的形成基底，并且對(duì)合金中析出相的形貌也有影響。

【參考文獻(xiàn)】：
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