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双流浇注连续铸造(Double-Stream-Pouring Continuous Casting,DSPCC)是一种低成本、大规模制备层状复合材料的新技术,它可以利用两股不同成分金属熔体的同时浇注,获得具有宏观尺度(mm数量级)冶金结合界面的梯度复合材料。6009是一种用量很大的汽车车身板材用铝合金,而7075是一种获得了广泛应用的超高强铝合金,如果能够综合7075铝合金和6009铝合金各自的优点,将7075铝合金作为内层、6009铝合金作为外层,形成层状复合材料,有望开发出一种新型的汽车车身复合板材,应用前景非常广阔。本文首次利用自行研制的双流浇注连续铸造设备制备了梯度复合7075/6009铝合金铸锭,并通过自由热压和热轧变形获得了不同厚度的7075/6009铝合金板材,研究了复合板材的热处理工艺与力学性能。通过分析不同铸造工艺和塑性变形工艺对复合材料组织、成分和性能的影响,得到以下主要结论:
利用双流浇注半连续铸造技术制备梯度复合7075/6009铝合金铸锭,必须优先确定冷却水压、铸造速度和外浇包熔体温度三个工艺参数,还要防止内浇包熔体在导管中堵塞和流量过大的问题,同时确定节流片在内导管中位置、节流孔径、内导管插入结晶器深度和内熔体温度的相互匹配。冷却水强度固定为0.3 MPa情况下,其他工艺参数的合理范围是:铸造速度150~200 mm/min,外浇包熔体温度720~760℃,内浇包熔体温度720~780℃,节流孔径1.6~1.8 mm,内导管插入结晶器深度0~15 mm。
采用双流浇注半连续铸造技术获得了梯度复合7075/6009铝合金铸锭,重点分析了节流片位置、节流孔径、内导管插入结晶器深度和铸造速度对梯度复合7075/6009铝合金铸锭的组织、硬度分布和成分分布的影响。结果表明:节流片在内导管上沿比在内导管下沿更有利于工艺参数的控制;随着节流孔径的增大和铸造速度的增加,铸锭外层合金厚度显著减小;随着内导管插入结晶器深度的增加,铸锭外层合金厚度增加;基于连续铸造传热特点,获得了铸锭外层合金厚度与铸造工艺参数相互关系的表达式,理论分析与试验结果具有较好的一致性;分析了梯度复合7075/6009铝合金铸锭的界面组织特征,总结了三种过渡区类型,分析了这三种过渡区类型在铸锭组织和硬度分布方面的不同特点;在7075/6009合金的双流浇注连续铸造过程中,节流孔径和铸造速度显著影响液穴的形状,而内导管插入结晶器深度变化对液穴形状的影响较小;不同铸造工艺参数下,梯度复合材料横截面上的Zn含量都存在梯度分布,复合材料的外层合金成分分布不受铸造工艺参数的影响,但工艺参数对内层合金中的Zn浓度影响很大。
梯度复合7075/6009铝合金铸锭在不同温度和变形量下进行压制和轧制,铸态下的梯度结构特征经过塑性变形后仍然得到保持,而且铸锭下的组织非均匀现象获得了缓解;随着板材厚度减小,梯度复合7075/6009铝合金板材的抗拉强度和屈服强度逐渐升高,而伸长率变化不明显。压制温度为400℃时,厚度为12 mm的梯度复合7075/6009铝合金板材的拉伸力学性能最优:σb为381 MPa、σ0.2为322 MPa、δ为16.1%。
梯度复合7075/6009铝合金板材的最佳T6热处理工艺为:485℃固溶30 min,水淬,175℃时效8h。利用优化后的T6热处理工艺,梯度复合7075/6009铝合金板材获得的力学性能典型值为抗拉强度404 MPa,屈服强度364 MPa,伸长率15.3%。与T6热处理态下的6009合金相比,抗拉强度提高了36%,屈服强度提高了75%,伸长率约为6009合金的84%。