双辊铸轧复合带材的数值模拟及实验研究

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双金属复合材料不仅可降低材料的使用成本,满足某些特殊的力学、物理和化学性能要求,而且具有良好的综合性能和优越的性价比。因而,一直是国内外学者关注的热点研究问题。然而已经实现工业化生产的各种双金属复合板带的生产方法都不同程度地存在着工艺复杂、生产效率低、成本高等不足。随着工业的高速、高效及多样化发展,更加迫切需要开发新的复合带材生产方法。本文在借鉴双辊铸轧与其他生产带材技术的基础上,提出一种新型的复合带材制备方法,利用快速凝固和铸轧成形的特点,制备复合带材。  本文采用实验研究与理论分析相结合的方法,对双辊铸轧复合带材过程中的关键问题进行了系统研究,研究取得了如下结果:  (1)根据双辊铸轧复合带材工艺的特点,建立了能够描述双辊铸轧复合带材过程中的湍流流动、传热和凝固过程的控制方程。对固相率、凝固潜热和湍流粘度等关键问题进行了处理,给出了描述湍流流动的统一方程,建立了考虑各种复杂因素在内的双辊铸轧复合带材过程流动和传热耦合的三维有限元分析理论。  (2)采用三维流热耦合有限元分析理论对双辊铸轧复合带材凝固过程中流场和温度场进行了数值模拟。给出了浇注温度、铸辊转速、熔池液面高度、铸辊与铸流控制堰之间间隙的大小等参数对熔池内流场和温度场的影响规律,为复合带材铸轧工艺窗口的确定奠定了理论基础。  (3)在实验室现有设备的基础上,初步建立了适合复合带材铸轧的浇注系统,进行了铝/铝硅合金复合带材的铸轧实验研究,给出了铝/铝硅复合带材铸轧的工艺参数范围。  (4)对实验所得到的带材进行了相关的性能检测,利用金相和扫描电镜对复合带材组织和界面形貌、元素分布等进行了分析,在此基础上分析了带材的复合机理。
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