多能場作用調控金屬凝固微觀組織機理的多尺度研究

《多能場作用調控金屬凝固微觀組織機理的多尺度研究》是依託中南大學，由胡仕成擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：多能場作用調控金屬凝固微觀組織機理的多尺度研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：胡仕成
• 依託單位：中南大學

項目摘要

現代航天航空、交通運載、信息產業等高技術領域對鋁合金性能提出了愈來愈高的要求，均質、細晶、無裂紋且成形性優異的大規格優質鑄錠是大規格高性能構件製造的前提條件，我國目前不能合格生產用於大規格整體構件的高性能鋁合金鑄錠。本項目擬通過將脈衝電場/超音波複合外場引入鋁合金熔體半連續鑄造凝固過程實現宏微觀組織與性能的調控，研究多場（脈衝電場、超聲場、流場及溫度場）協同作用對凝固組織與性能調控的多尺度作用機制。研究外場激勵與擾動對納米尺度的原子團簇形核與結晶過程動力學與熱力學條件及熔體回響行為的影響；微米尺度的凝固組織晶粒尺寸與分布規律及形態、微觀偏析與微裂紋形成過程的影響；巨觀尺度的流體流動與傳熱行為及力學性能的影響。實驗研究外場參數與半連續鑄造工藝參數的匹配對凝固組織與性能的影響及匹配規律，形成多能場調控金屬凝固組織與性能的技術原型。

結題摘要

高性能鋁材是我國航空、航天、汽車、電力、信息等產業的基礎材料，對我國國防現代化建設起重要作用。高性能鋁材成型成性過程的核心是微觀組織的調控及鑄造過程微裂紋的控制與抑制。項目首次提出了將超音波及脈衝電場施加於金屬凝固過程來實現對微觀組織進行調控及裂紋抑制的技術思路，並通過理論分析與實驗研究了超音波與脈衝電場對微觀組織的影響規律以及對裂紋抑制的作用效果。主要研究內容及研究結果有： （1）首次將10V、1000HZ內的低壓中頻脈衝電場作用於純鋁凝固過程，並搭建了脈衝電場鑄造實驗系統。實驗研究了脈衝電場五個不同工藝參數對純鋁凝固組織的影響規律。實驗結果表明：電壓、處理時間、頻率、占空比（單個周期內脈寬與周期之比）等四個參數對鑄件巨觀組織有重要影響，而電極深度對凝固組織影響微弱；在10V、 1000HZ的脈衝電場處理下，隨著電壓和處理時間的增大，鑄件粗大的柱狀晶逐漸轉變為細小等軸晶，同時等軸晶區面積逐步擴大；而隨著頻率和占空比的增大，組織細化效果先增強後減弱，並發現存在最佳占空比。 （2）研究發現在電壓10V、頻率50HZ、占空比60%、凝固全程通電、電極深度45mm的工藝參數處理下，鑄件縱截面等軸晶面積百分比和晶粒平均面積分別是未處理的20.6和0.23倍，純鋁鑄件布氏硬度、抗拉強度、屈服強度、延伸率分別提高10%、13.9%、9.3%、10.4%。 （3）搭建了超音波和脈衝電流複合外場實驗平台，研究了脈衝電場與超音波共同作用下對鋁合金凝固微觀組織及力學性能的影響，並獲得了較佳的參數匹配。純鋁凝固過程中經過電脈衝-超聲複合場（電脈衝：電壓10 V，占空比60 %，頻率50 Hz。超聲：2 kw，20 KHz）處理後的純鋁細化晶粒的面積，力學性能，硬度，導電性都得到了很大的提升。 （4）搭建了脈衝電場抑制鑄造微裂紋的實驗平台，通過試驗與數值模擬分析發現當Al-5.5Cu-0.2Mg合金在脈衝電流（脈衝電壓10V、占空比60%、通電時長120s）影響下熱烈紋體積有了顯著的下降，且模具的預熱溫度為730℃為最佳。本項目的研究結果將對外場鑄造理論及技術起到一定的推動作用，本技術的成熟將極大地推動高性能材料鑄造技術的進步。