半固态铝合金-稀土初生α相在混沌对流中的凝固形貌演化规律

摘要

半固态技术发展至今虽然仅有短短几十年的历史，但它拥有广阔的应用前景与独道的技术优势使之在国内外得到飞速的发展。半固态成形的关键技术之一就是半固态合金熔体制备技术，所以熔体流动状态对合金元素的传输、晶粒的长大、温度场的分布、最终的合金组织形貌，以至于能否获得合格的半固态浆料影响极大。本文将混沌理论与半固态技术相结合,主要研究了熔体混沌特性对半固体合金凝固组织形貌的影响。
　　本研究将实验与模拟相结合，采用Fluent软件中的MHD模块和标准k-ε模型，在电磁场作用下，模拟结晶器内部熔体的温度场及熔体微粒质点的运动轨迹，得知在电磁搅拌参数为30Hz、15s时，熔体温度场分布最均匀，其微粒运动轨迹最复杂。
　　通过Lyapunov指数、分形维数和Kolmogorov熵三个混沌特征量的计算与判断，得知电磁搅拌时间和搅拌频率是影响凝固系统混沌程度的两个重要因素。在施加适当的电磁搅拌下，其熔体内部能诱发混沌对流。计算得出了分形维数和Kolmogorov熵值随着搅拌频率的增加而增大，也随着其搅拌时间的延长而增加，所以混沌并非是混乱的现象，其内部依然具有可控因素。同时，在电磁搅拌参数为30Hz、15s时，熔体内部的混沌程度最大，其分形维数为2.240，Kolmogorov熵值为6722.4nat/s。
　　结合实验，选择A356铝合金为基体原料，通过低频率电磁搅拌诱发的混沌对流，探究在其作用下不同电磁搅拌频率、时间及不同稀土元素La和Yb对半固态A356铝合金初生α相的影响。得出了在低过热度浇注下，在电磁搅拌参数为30Hz、15s时合金凝固组织形貌达到最佳。此时，半固态A356-Yb合金初生相平均等积圆直径为60.28μm，平均形状因子为0.78；而半固态A356-La合金初生相平均等积圆直径为65.36μm，平均形状因子为0.75，可见稀土Yb比稀土La影响混沌对流所表征出的初生相更为细小圆整。
　　再利用30Hz、15s的搅拌参数，添加不同比例的二元稀土元素La和Yb，探究了稀土元素在电磁场诱发的混沌对流下对凝固组织形貌的规律及影响因素。得出了当稀土添加量为0.8％La+0.5%Yb时，合金组织形貌达到最优，其初生α相的平均等积圆直径为62.47μm，平均形状因子为0.72。通过实验研究，获得了制备半固态A356铝合金浆料合适的工艺参数。

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第一章 绪 论

1.1 半固态加工成形技术概述

1.2 半固态浆料制备技术概述

1.3 半固态合金微观组织形貌的参数描述

1.4混沌理论的概述

1.5 课题研究目的和主要内容

第二章 模拟研究路线和计算方法

2.1引言

2.2 流体力学软件Fluent的模拟分析

2.3 不同电磁搅拌频率下熔体温度场分布及微粒轨迹模拟

2.4 基于Matlab对混沌特征量的判断、计算及分析

2.5 讨论

2.6 本章小结

第三章 实验方案、材料及设备

3.1 实验材料

3.2 实验方案设计

3.3 试样分析与处理

第四章 电磁场诱发混沌对流对合金微观组织的影响

4.1 引言

4.2 稀土的选择

4.3混沌对流下不同稀土元素对半固态A356合金微观组织的影响

4.4讨论

4.5本章小结

第五章 混沌对流下二元稀土对合金微观组织的影响

5.1 引言

5.2 实验工艺及过程

5.3 实验结果与分析

5.4 讨论

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果