镁合金半固态坯料重熔过程数值模拟及参数优化

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1、人连交通大学T学硕十学位论文的研究非常重要。由于不同合金具有不同的半固态二次加热特点，准确地掌握合金的二次加热温度和保温时间与半固态组织和触变性间的关系是该技术成功的关键。从半固态二次加热工艺上看，为了满足半固态金属触变成形的需要，金属坯料的半固态二次加热应满足以下基本要求18J：(1)对于不同的成形合金，应确定与其相符且合理的二次加热温度，使半固态二次加热后的金属坯料便于输送，同时又具有较理想的触变成形性能，以便获得轮廓清晰的零件毛坯。(2)对金属坯料的二次加热温度要精确控制、坯料内部的温度梯度应尽可能小，以获得固相分数准确和固相分布均匀的二次加热半固态坯料。(3)尽可能加快半固态二次加热

2、速度，防止二次加热过程中坯料表面的过分氧化和初生晶粒的过分长大。(4)余属坯料的二次加热时间应与触变成形过程的时间相匹配，以便于实际生产。随着计算机技术的发展，使得二次加热过程的数值模拟成为可能。模拟结果对于固相体积分数和加热参数的确定与控制都具有重要的指导意义。镁合金作为一种环保合金，虽存在表面易氧化、易燃烧等缺点，但是它具有自身密度小，比强度、比刚度高，尺寸稳定性好等特点，将逐渐成为铝、塑料和钢的主要替代品【9。1叫。目前，国内外许多研究人员对铝合金的二次加热过程已经做了深入研究，而对镁合金的二次加热过程研究很少。有鉴于此，本论文选择镁合金作为研究对象。如考虑加热工艺中存在相变、内热源等

3、问题，本论文选择ANSYS有限元软件对镁合金半固态坯料二次加热过程进行数值模拟，找出加热工艺参数与半固态坯料二次加热过程之间的规律，通过控制加热工艺参数来满足镁合金半固态坯料温度的均匀性和生产节拍，从而指导实际生产。1．2国外半固态成形技术及数值模拟的发展概况金属半固态成形技术的应用已取得了重大进展，许多国家都步入了实际商业应用和进一步技术开发的行列f8J。近些年来铸造过程模拟技术在世界上也受到了广泛的重视1111o1．2．1美国半固态成形技术的发展现状半固态成形技术发源于美国，AEMP(AlumaxEngineeredMetalProcess)公司率先将此技术转化为生产力。1978年，该公

4、司使用电磁搅拌技术生产出供触变成形用的圆锭，随后建成了世界上第一条高容量和高度自动化的触变成形生产线，用于铝合金汽车零件。Thixoma公司则采用半固态喷射成形专利技术生产镁合金零件。1985年，Alumax铝2第一章绪论业公司将有关触变成形的专利技术向欧洲转让，以生产Volio、BMW和Audi等小轿车的铝合金零件112l。美国Dow化学公司在1987年研制开发了镁合金触变模压铸工掣13】，为镁合金的半固态加工迈出了第一步。该工艺利用喷射模塑法把镁合金碎片在喷射成形机的液筒内加热到半熔融状态，然后用螺旋桨搅拌到泥浆状态，再通过喷管喷射成形。在塑料注射的基础上，该公司于1989年发明了半固态

5、镁合金触变射铸技术，并于1991年获得发明专利【81。美国威斯康辛Lindberg触变成形发展中心采用触变成形机进行镁合金的半固态铸造，已生产出镁合金离合器片及汽车传动零件等【14l。1．2．2欧洲各国半固态成形技术的发展现状在欧洲，意大利是半固态加工技术商业化应用最早的国家之一。Stampal公司是一个从事铝合金触变成形的欧洲厂商，能够生产直径为90．110mm，长度可达4000mm的锭坯，它也采用该技术为Ford汽车公司生产Zeta发动机油料注射挡板，生产率为160件／ll。同时，法国的PechineySA公司，意大利的Fata，德国的EFU等国际著名公司也采用了半固态金属加工技术【12

6、1。法国的AluminiumPechiney拥有行波电磁搅拌连续铸造生产半固态合金坯料的专利权。德国的EFU等公司也在积极研究半固态金属坯料的连续制备和触变成形技术181。瑞士Buhler公司【15】采用与半固态压铸铝合金相同的主要设备，制造出半固态镁合金压铸件【16】，并已进行系列化生产供应世界各地用户。1．2．3日本半固态成形技术的发展现状日本的SpeedStarWheels公司于1994年首次利用触变铸造技术生产出了铝合金车轮，在该年内日本还设计制造出用于镁合金的射铸设备，而后在1996年开始用该设备进行工业性生产。半固态技术在日本经过基础研究和试生产阶段，现已进入实用阶段【17】。日

7、本名古屋工业技术研究所也一直致力于以压铸镁合金AZ91D为对象的半固态成形加工技术118’。该研究所采用半熔融状态下挤压以取代搅拌操作，从而对固相与液相共存试料产生较大的剪切力，获得相当于搅拌操作所取得的效果。通过微观组织分析发现，液相率经过挤压模后有所增加，这是由于挤压模时压力增加以及固相粒子之间、粒子与挤压模之间的摩擦所引起的。观察到的结果还表明试料的充填性能随固相率的降低和铸模温度的升高而增加，但只要加