【摘 要】
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金属熔体凝固过程的冷却速率,对合金的凝固组织和力学性能都具有显著的影响。在本研究中,通过薄带铸轧实验方法获得的高冷速表明,冷却速率在控制铸件平均晶粒尺寸、二次枝晶臂间距、共晶相数量、析出相密度以及溶质元素在α-Al基体中的过饱和固溶程度等方面都具有关键作用。因此,定量化的阐明不同冷却速率对具有较宽结晶区间合金的凝固组织和力学性能的影响机理至关重要。本文以典型的Al-4.5wt.%Cu合金为研究对象
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金属熔体凝固过程的冷却速率,对合金的凝固组织和力学性能都具有显著的影响。在本研究中,通过薄带铸轧实验方法获得的高冷速表明,冷却速率在控制铸件平均晶粒尺寸、二次枝晶臂间距、共晶相数量、析出相密度以及溶质元素在α-Al基体中的过饱和固溶程度等方面都具有关键作用。因此,定量化的阐明不同冷却速率对具有较宽结晶区间合金的凝固组织和力学性能的影响机理至关重要。本文以典型的Al-4.5wt.%Cu合金为研究对象,分别采用砂型铸造、水冷铜模铸造、双辊薄带铸轧等工艺,实现了具有不同冷却速率试样的制备,并结合凝固过程的相场和溶质场等仿真模拟手段,探究了冷却速率与凝固组织和溶质元素分布的对应关系。最终,为基于亚快速凝固的高品质铝合金板材的成功制备,提供一定的研究基础,论文的主要工作及研究成果如下:（1）研究了双辊薄带铸轧工艺参数对板坯质量的影响规律。分析了薄带铸轧过程不同工艺参数下的温度场,确定最佳工艺参数为:6mm铸轧板的最佳浇注温度为700℃,铸轧速度为1.05m/min;3mm铸轧板的最佳浇注温度为690℃,铸轧速度为1.50m/min,此时液穴深度适宜,两相区内熔体流动均匀。（2）探究了冷却速率与二次枝晶臂间距及成分分布的对应关系。计算了铸轧板坯不同位置处冷却速率,其中6 mm板坯表层冷速为117.3℃/s,3 mm板坯表层冷速为273.5℃/s,均属于亚快速凝固冷速范围。而且,随着冷速的提高,平均晶粒尺寸由砂型铸造的309 μm减小到薄带铸轧的95 μm;基体中Cu元素固溶程度提高,晶间共晶相面积分数减小,在6 mm板坯中,部分区域Cu元素的含量仅有4.57%,共晶相形态呈断续,离散分布,晶间溶质元素浓度梯度降低。（3）分析了不同厚度铸轧板坯凝固过程中溶质元素的偏析行为。溶质场结果表明,铸轧板坯心部Cu元素的宏观偏析十分明显,与实验规律相吻合。其中,6mm板坯心部Cu元素含量达到17wt.%,而3 mm板坯心部Cu元素含量达到了 25wt.%。分析认为,这是因为板坯厚度较薄时,固液界面的迁移速率较快,元素富集区未来得及充分扩散便被“淹没”,产生较多的溶质元素富集区,即宏观偏析缺陷。（4）研究了冷却速率对热处理态合金组织性能的影响规律。推导出均匀化动力学方程,计算得出不同冷速试样完成均匀化的理论时间分别为23.5 h,13.5 h,7.1 h和5.2h。随着冷速提高,共晶相形态熔断及球化趋势增强、分解与回溶程度提高,且完全均匀化所需的时间越短,时效处理后力学性能也有一定的提高。
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