《鋁合金多源超音波鑄造凝固行為的數值模擬與工藝研究》是依託中南大學，由李曉謙擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：鋁合金多源超音波鑄造凝固行為的數值模擬與工藝研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：李曉謙
- 依託單位：中南大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
對金屬凝固過程施加超音波擾動是提高鑄造成形性和組織均勻性、抑制氣孔、疏鬆、偏析與開裂等缺陷的一個重要途徑。對於突破航空航天和武器裝備所需的高強高韌鋁合金大型複雜整體構件的鑄造技術瓶頸具有重要意義。施加多源超聲協同擾動與參數調控是大型鑄件超聲鑄造工藝實現的關鍵難題。針對於此，本項目將開展大型鋁合金鑄錠多源超音波鑄造數值模擬與工業化中試規模的工藝實驗研究，探明多源超聲場協同作用下鋁合金的凝固行為，構建包含多源聲場、流場、溫度場、應力場的多場耦合模型。通過數值模擬，獲得鑄錠凝固過程中的聲場、流場與溫度場的巨觀分布特徵，揭示多源超聲場對鋁合金凝固過程的作用機理與不同物理能場間的能量傳遞規律，並在微觀尺度內建立晶體生長的外場條件如多源超聲的布控位置、方式、超聲頻率、振幅等參數與鑄錠組織對應關係的理論體系，並開展工藝實驗驗證與完善數值模型，為超音波鑄造技術的工業化運用提供理論依據與技術支持。
結題摘要
超聲處理金屬熔體具有細化晶粒、除氣除雜、增強合金元素固溶等效果，可以作為突破大規格優質高強鋁合金鑄錠製備技術瓶頸的新工藝。然而在大規格鋁合金半連續鑄造過程中，多源超音波的導入、傳播、協同作用機理及其對鑄錠組織與成分均勻性的影響規律等研究較少。針對於此，項目以航空航天用鋁合金為研究對象，開展多源超聲處理熔體、輔助凝固成形工藝的數值模擬與實驗研究。主要內容與結果如下： （1）對深液位Φ650mm熱頂半連續鑄造中超聲聲壓場分布及不同超聲空間布控方式下熔池內流場與溫度場的分布進行了模擬仿真，結果表明：超聲輻射桿聲輻射區主要在端面以下，隨著超聲施振深度的增加，輻射桿側面會出現多個不連續的小範圍空化區域。 （2）以添加源項的方式，建立了聲-流-熱耦合的三維數值模型，並對1100×400mm規格鋁合金半連鑄多源超聲作用下的多物理場耦合過程進行了模擬，獲得了不同超聲頻率、振幅對巨觀聲場、流場與溫度場的影響規律，初步確定了超聲參數之間的匹配關係。 （3）揭示了超聲場對鋁合金熔體凝固過程不同階段的主導作用機理。在結晶溫度區段，超聲主要通過空化效應，以壓力過冷、異質活化促進熔體形核的方式，提高形核率；在固-液相共存溫度區段，超聲主要通過諧振效應，以晶體振幅增大、界面自由能級提高至相變驅動力減小的方式，控制晶體生長速度。 （4）進行了Φ1250、1380mm規格2219合金熱頂半連續鑄造超聲調控探索實驗，結果表明：超聲施加深度為200mm，距圓心R/2時，鑄錠凝固組織在整個橫截面的分布更加均勻並且細晶區域的面積增大，巨觀偏析程度降低；超聲施加深度為300mm，且施加位置由R/2向R/3改變時，可以進一步細化心部晶粒組織，降低心部正偏析程度。 本項目的研究工作將為推動超音波外場輔助鑄造技術的發展與工業套用提供工藝基礎與理論參考，為航空航天用大規格高品質的鑄錠製造提供技術保障。
