Zr基非晶合金铸造过程的熔体传热、流动与充型研究

Zr基块体非晶合金的优良性能和极高的玻璃形成能力以及低的临界冷却速率，是现有非晶合金体系中最具应用价值的高强度结构材料。但由于其成型制备技术相对于基础研究的滞后，是制约其工业应用的因素之一。因此，开展Zr基非晶合金铸造成型技术研究，是促进块体非晶合金由基础研究向工程应用转化的关键。本项目针对块体非晶合金铸造成型过程中的基础问题，以易形成非晶的Zr基合金为对象，针对非晶合金粘滞性大的特性，研究铸造过程合金熔体在型腔中的热量传输规律，合金熔体的流动性和充型能力，熔体的温度对充型能力和随后的凝固行为的影响规律；探索合金熔体与铸型的热交换规律，凝固过程的温度场分布对非晶态组织的影响，建立非晶合金液体在铸型中流动的数学模型，从理论上优化工艺，获得具有工业应用价值Zr基非晶合金的铸造成型技术。

Zr基块体非晶合金的优良性能和极高的玻璃形成能力以及低的临界冷却速率，是现有非晶合金体系中最具应用价值的高强度结构材料。但由于其成型制备技术相对于基础研究的滞后，是制约其工业应用的因素之一。因此，开展Zr基非晶合金铸造成型技术研究，是促进块体非晶合金由基础研究向工程应用转化的关键。本课题针对块体非晶合金铸造成型过程中的基础问题，以易形成非晶的Zr基合金为对象，针对非晶合金粘滞性大的特性，研究铸造过程合金熔体在型腔中的热量传输规律，合金熔体的流动性和充型能力，熔体的温度对充型能力和凝固行为的影响规律；探索合金熔体与铸型的热交换规律，从理论上优化工艺，获得具有工业应用价值的Zr基非晶合金铸造成型技术。认识和理解高粘滞性非晶合金熔体的流动特性，对非晶合金的铸造成形是非常重要的。本课题根据铸件形成理论和流体在圆管中流动的Rayleigh法则，建立了一个评鉴Zr基非晶合金熔体在圆管中的流动性模型，通过实验测试，验证了这个流动模型的正确性和适用性。结果显示，流动性模型的计算结果与实测值非常接近。由本研究工作申请的“锆基块体非晶合金熔体流动性测试方法及其装置”发明专利，已获国家专利局的发明专利授权，专利号：ZL 201310083859.9。在深入探讨和分析Zr基块体非晶合金熔体流动和充型能力的基础上，分别在1073K、1123K、1173K、1223K和1273K的五个温度条件下，开展了Zr基块体非晶合金熔体铸造成形的工艺试验研究。用5公斤的真空感应水冷铜坩埚悬浮熔炼炉进行熔炼与铸造成型。铸造了长L=241mm、大边长H1=28mm、 小边长H2=16.5mm、厚度B=6.5mm、截面积S =247mm2的Zr基非晶合金角形铸件。由本研究成果申请的 “一种块体锆基非晶合金铸件的铸造成形方法”技术发明专利，已获国家专利局的发明专利授权，专利号：ZL 201210367027.5。.上述研究工作以Zr基块体非晶合金的物理特性、化学成分、粘滞性等因素对铸造过程中非晶合金在铸型中的热量传输和凝固行为的影响等基础理论问题为出发点，通过开展块体非晶合金熔体在铸造过程中的流动行为、充型能力、热量传输规律的研究。发展了块体非晶合金铸造成型技术，对推动Zr基块体非晶合从基础研究项工程应用转化具有积极的促进作用，同时充实和丰富块体非晶合金的应用理论和成型技术，具有重要的科学意义和应用前景。