熔体强剪切和电磁场组合作用下轻合金的凝固行为及机理

Grain refinement and uniformity of microstructure and composition are very important for enhancing the performance of the large sized light alloy. This project is planning to treat light alloy melt by the combined application of stator-rotor type high shear device and low-frequency electromagnetic field to control the as-cast microstructure and improve the uniformity of composition. The application of low-frequency electromagnetic field can generate a strong forced convection. The stator-rotor type high shear device can generate a high shearing force. Therefore, the combined application of stator-rotor type high shear device and low-frequency electromagnetic field can generate both intensive melt shearing and strong forced convection. The intensive melt shearing has the functions of dispersion, breaking, size reduction and mixing and can in situ break and disperse the oxide film or cluster in the melt into fine, uniform and individual particles, which on one hand increases the number of nucleation substrate and on the other hand reduces the detrimental effect of film or chain-like oxide. The strong forced convection can distribute the individual particles uniformly in the melt, promoting the grain refinement and improving the uniformity of microstructure. The characterization of the oxide film in the melt, effect of intensive melt shearing on the oxide film, orientation relationship (OR) between the oxide and primary phase of light alloys, the role of oxide during solidification process, the combined effect of intensive melt shearing and electromagnetic field on the solidification behavior and its mechanism will be studied by using optical microscopy, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy and other analytical tools.

细化铸锭组织和提高组织、成分均匀性对于提升大断面轻合金材料的性能具有重要意义。本课题采用定子-转子型高强度剪切装置和低频电磁场对轻合金熔体进行处理，控制合金凝固组织并提高组织、成分均匀性。在凝固过程中综合利用电磁场引起的强对流和高强度剪切处理引起的强剪切，研究组合作用下，轻合金的凝固行为。利用高强度剪切处理的分散、破碎、减径、混合等作用将熔体中的膜状或链状氧化物原位分散、破碎为均匀、细小且弥散分布的颗粒，从而即增加形核质点又减弱膜状氧化物对性能的危害；利用电磁场引起的较强的宏观流动将这些细小的颗粒均匀分布于熔体中，促进组织细化，提高组织均匀性。通过光学显微镜、扫描电镜、透射电镜等分析手段，表征合金中的氧化膜，研究熔体强剪切对氧化膜的影响，确立氧化物与晶粒间可能的位向关系，揭示氧化物在轻合金凝固过程中的作用，分析熔体强剪切和电磁场组合作用对凝固行为的影响及机理。

本项目主要研究熔体强剪切设备的改进与优化，半连续铸造过程中施加熔体强剪切处理对组织的影响，熔体强剪切工艺参数对组织的影响，熔体强剪切和低频电磁场组合作用工艺参数对组织的影响。基于这些研究要点，本项目组展开了深入的研究。.考察了强剪切+除气处理对净化熔体的作用。利用强剪切对2524铝合金和7050铝合金熔体进行了不同工艺条件的处理，考察了熔体强剪切对铝合金内氧化膜形貌的影响。设计了可同时施加强剪切处理和磁场搅拌作用铝合金DC铸造装置，并通过实验制备了不同条件的7050与2524铝合金铸锭（直径172mm），分析了各种处理方式对铝合金DC铸造过程及对铝合金组织性能的影响。利用熔体强剪切装置尝试对Al-50Si、Al-5Fe合金熔体进行处理，分析了强剪切处理对铝合金内初生相形貌尺寸的影响。结合下一基金项目设计并制造了可同时施加熔体强剪切和电磁场、直径300mm铸锭的DC铸造系统，并进行了设备调试和初步试验研究，相关深入的分析研究将继续开展。.分析了强剪切对氧化物形貌、尺寸和分布的影响。分析了熔体强剪切处理对于气泡的而破碎机理，考察了熔体强剪切作用对气泡的破碎作用，以及该方法对铝合金溶体的除气效果。探讨了铝合金熔体强剪切和电磁场组合作用下铝合金的凝固机理。在2524铝合金和7050铝合金的DC铸造实验过程中同时施加了低频电磁场和熔体强剪切作用，有效改善了铝合金DC铸造过程中的温度场，细化了DC铸造铸锭的凝固组织。.课题执行期间共发表标注本基金号论文23篇，其中SCI检索16篇，EI检索7篇，其中8篇论文与本研究内容直接相关。申请并获批发明专利2项。参加国际会议3次，与国外院校进行交流2次，培养硕士研究生6人，博士研究生3人。.总之，本项目按照计划展开了详细完整的研究工作，完成了项目计划的既定内容，基本实现了研究目标，并对项目的研究工作进行了适当的延伸。