铝铜合金流变挤压成形技术研究

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半固态流变成形作为一种新型的材料加工技术,能够实现薄壁零件的高强度和轻量化。在当今社会低碳经济的热潮中,以其低能耗、流程短的优势,逐渐成为人们关注的焦点。铝铜合金具有广泛的用途,如何进一步提高铝铜合金零部件的性能具有重要的意义。本文主要研究了铝铜合金的半固态浆料制备以及流变挤压成形性能,并探讨了铝铜合金间接超声振动的制浆机理。采用间接超声振动方法,即工具头在盛熔体的金属杯外面进行超声振动,制备AlCu5MnTi铝合金半固态浆料,其主要成分(质量分数,%)为:Cu4.8,Mn0.35,Ti0.3,其余Al。主要研究了启振温度和振动时间对浆料微观组织的影响,以及超声振动作用下整杯浆料的初生相分布。结果表明,在液相线以上附近温度开始,对熔体进行60s左右的间接超声振动,可以获得平均晶粒直径为67μm,平均形状系数为0.56的半固态浆料。晶粒平均直径在60s的振动时间内一直增大,从46μm上升到67μm,平均形状系数在60s的振动时间内一直增大,从0.42上升到0.56,但是到80s时平均形状系数降低到0.53。整杯浆料中各处浆料组织基本均匀一致,顶部和底部晶粒的平均直径略大于中部。在靠近杯壁1~3mm的区域发现大量游离晶核,表明间接超声振动还具有高频机械振动的效果。因此,对金属熔体施加间接超声振动作用时,并不只是超声振动的作用效果,而是超声波振动和高频机械振动共同作用的结果。关于半固态浆料的挤压铸造成形研究,主要探讨了挤压压力,模具温度以及热处理对铸件微观组织和力学性能的影响。结果表明随着压力从25MPa上升到100MPa时,晶粒的平均直径从38μm减小到30.7μm,形状系数从0.52增大到0.66;随着模具温度从220℃升高到320℃,在100MPa的挤压压力下,抗拉强度和伸长率呈先增大后减小的趋势,在270℃时达到最大值;在压力为100MPa,模具温度为270℃左右时,经过T5热处理后流变挤压铸件力学性能最佳,抗拉强度为326.5MPa,伸长率为11%。而液态挤压铸件在相同条件下抗拉强度和伸长率分别为306.7MPa和7.5%。流变挤压铸件相比液态挤压铸件在这两项上分别提高了6.5%和47%。这主要由于浆料制备过程中,晶粒的生长会受到超声波的作用而变为球状,浓度场和温度场也会变得更加均匀,减少了偏析的出现,晶粒也变得更加细小,因此力学性能有较大提高。同时还探讨了压力作用下晶粒细化的机理,主要是由于压力作用下,零件与模具之间的传热系数会明显增大,而不是压力导致合金液相线温度改变的结果。
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