晶间液膜特性表征及与热裂形成关系的构建

Hot tears is one of the important factors restricting the improvement of mechanical properties of casting alloys. The results show that the liquid phase in the solidification stage is also called the liquid membrane, which is very important to the initiation of hot tearing, and the existing theory of hot tears formation is related to the liquid film characteristics and casting conditions. Due to the limitation of direct detection of liquid film properties, the characteristics of liquid film and the effect of solidification conditions are very limited, the liquid film characteristics can not be accurately characterized, resulting in large deviations of the hot tear prediction method based on the existing hot tearing theory with the actual production. To this end, this project is to use the method of combining theory with experiment, research and development of liquid film detection methods, taking Al-Cu alloy as the research object, the experimental and theoretical study on the characteristics of the liquid film which influence the hot tear. The effects of alloying elements, microstructure and solidification conditions on liquid film characteristics and the initiation conditions of hot tears will be studied, and the characteristics of liquid film and the relationship between crack initiation will be further realized. The dimensionless characterization method of the effect of solidification conditions and alloying elements on the liquid film properties and the criterion of hot tear initiation will put forward, and then the design method of low hot tearing sensitive aluminum alloy will be developed.

热裂是制约铸造合金力学性能提高的重要原因之一。研究表明，凝固后期晶间液相又称为液膜对热裂纹萌生至关重要，现有的热裂形成理论均涉及到液膜特性与铸造条件。由于直接检测液膜性能方法受限，液膜特性以及凝固条件对液膜特性影响等研究工作十分有限，尚不能对液膜特性进行较准确的表征，导致依据现有热裂理论建立的热裂预测方法与实际生产存较大偏差。为此，本项目拟采用理论与实验研究相结合的方法，研发液膜检测方法，以Al-Cu合金为研究对象，对液膜性质进行实验与理论研究。通过实验分别研究合金元素、组织结构、凝固条件等对液膜性能的影响及热裂纹萌生条件，进一步认识液膜的性能特点及与裂纹萌生的关系；利用理论研究提出凝固条件、合金元素等对液膜性能影响的无量纲表征方法，以及热裂纹萌生判据；进而用于形成低热裂敏感性铝合金设计方法，并开发出高性能铝合金。

热裂是铸造铝合金的重要缺陷，严重影响合金力学性能潜力发挥。然而，有关热裂机理等问题的研究还存在诸多不明确之处，特别是凝固后期液膜对热裂影响尚不能进行明确表征。为此，本课题研发了多通道“十字型”合金热裂性能测试装置，对Al-Cu合金凝固过程中热裂纹萌生进行检测，解决了工艺条件与热裂形成关系直接检测问题。借助半固态原理实现了液膜再现，在此基础上设计开发了液膜收缩力测试装置，实现了液膜性能的直接检测与表征，并利用该装置对Al-Cu合金凝固末期液膜与热裂关系进行了研究，证实了液膜在凝固末期发挥的补缩作用，能够对已形成的热裂纹进行弥合。利用分子动力学对液膜粘度、结构性质以及扩散系数等特性进行了理论计算与表征，发现在相同温度下，液膜体积分数越大，粘度越低，越有利于降低热裂倾向性。基于液膜特性及晶体形貌提出了新的热裂纹萌生判据，利用该判据不仅可以定量判断不同合金的热裂敏感性，也可以指导凝固过程工艺参数调整降低合金的热裂倾向性，并根据实验和多尺度模拟计算得到了验证。基于低热裂合金设计目标，利用等长度热裂测试装置和多通道“十字型”合金热裂性能测试装置，研究了合金元素（Mg、Zn、Y、V、Pr、Ce）对Al-Cu合金热裂倾向性影响规律，发现Mg、Y、V、Pr、Ce加入后，均可形成不同形式的金属间化合物，热裂倾向性随元素加入量呈“V”型规律，而Zn加入后，不能形成金属间化合物，热裂倾向性随着Zn元素含量增加而增加。上述研究结果表明，形成适量的金属间化合物有利于降低Al-Cu合金热裂倾向性，这为今后设计低热裂的Al-Cu合金提供了指导。在研究凝固条件对热裂影响时，发现凝固过程的冷却速度越小，有利于液膜发挥补缩与搭桥作用，进一步减小合金产生热裂倾向的趋势，并结合合金元素对热裂影响，提出了低热裂Al-Cu系合金成分设计及工艺流程。最后，利用上述研究结果，设计了一种低热裂Al-4.4Cu-1.5Mg-0.15Zr-0.3Pr合金，并检测了合金的力学性能。