镁合金熔体真空差压充型动力学特性和凝固挤渗行为研究

镁合金熔体充型能力较差，枝晶粗大，凝固补缩困难，导致复杂薄壁镁合金铸件的精密成形难以实现。项目以AZ91D镁合金为研究对象，基于对不同壁厚、不同真空度、充型压力和加压速度等条件下真空差压充型镁合金熔体流动形态的研究，获得提高镁合金熔体充型能力的基本要素，并建立相关的充型动力学模型，揭示镁合金熔体真空差压充型动力学特性。运用先进的技术手段及相关结晶学理论，系统研究真空差压凝固挤渗条件下镁合金铸件一次枝晶和二次枝晶的生长形貌、取向及间距大小等生长特性，探讨枝晶的显微塑性变形规律，建立真空差压凝固条件下镁合金枝晶生长动力学与挤渗模型，揭示镁合金熔体真空差压凝固挤渗的调控机制。项目的研究成果可以为真空差压铸造复杂薄壁镁合金精密铸件提供科学依据与理论支撑，在航空航天、汽车工业和其它科学领域具有巨大的应用价值和广阔前景。

镁合金密度小、比强度及比刚度高，在航空航天、汽车交通等领域应用广泛。然而由于熔体流动性差、蒸气压高、凝固区间宽、枝晶组织粗大，严重影响镁合金铸件的精密成形及组织致密。真空差压铸造作为一种先进的反重力精密成形技术，对于无余量复杂薄壁铸件生产具有广阔应用前景，其中充型及凝固过程的可调可控是高性能镁合金铸件制备的关键。本项目以镁合金熔体充型动力学及凝固挤渗行为为研究要点，采用数值模拟及实验分析等手段，对比研究了充型压力、加压速度等工艺参数对充型高度、流动形态、充填次序及充型完整性的影响规律。基于液态金属停止流动机理和能量守恒方程，建立充型压差与金属液平均流速及充型高度的动力学模型。利用镁合金熔体保护和控制装置，开展了气体成分对镁合金熔液保护试验，研究了真空下熔体的氧化燃烧及挥发规律。从形核和生长角度出发，通过添加稀土元素及孕育剂，完成了镁合金组织改性研究，并对细化机理进行合理阐述。结合凝固加压手段，研究了压力对镁合金枝晶生长、显微塑性变形及晶粒碎断的影响。采用Poisseuille方程，通过分析缝隙式补缩过程，建立了凝固挤渗数学模型。针对铸造壁厚效应引起的冷速变化，开展了宽冷速范围内镁合金凝固组织、尤其晶界处共晶组织演化规律研究。研究结果表明：随充型压差增加，金属液充型速度更快，并影响到其在直浇道及型腔中充填形态。增压条件下金属液流动平稳，但加压速率过慢时，合金液温度下降及镁合金保护气体引起型腔反压力，增加流动过程中热能及动能损耗，降低其充型能力。当添加0.75wt% Ce后，由于溶质再分配导致固/液界面前沿成分过冷度提高及Al11Ce3相对晶界的钉扎效应，铸态AZ91D镁合金平均晶粒尺寸由480μm下降至184μm。添加0.2wt%SiC后，由于SiC颗粒和Al4C3相可促进形核，同时Mg2Si对晶界迁移起钉扎作用，有效抑制晶粒生长，细化效果最好，晶粒尺寸仅为124μm。凝固压力200kPa时，枝晶塑性变形及碎断现象明显，枝晶尺寸进一步下降到45μm。与此同时，液相流动性得到改善，提高了枝晶间补缩能力，合金强度及塑性呈上升趋势。随冷速增加，晶粒尺寸不断细化。由于溶质扩散及溶质截留效应，共晶体积分数先增后降，进而影响枝晶间残余液相及补缩通道的形成。项目的研究成果可为真空差压铸造复杂薄壁镁合金铸件提供科学依据与理论支撑，具有重要的应用价值和广阔前景。