【摘 要】
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铸造铝硅合金,无论是过共晶或亚共晶合金都已经被广泛地应用到汽车制造、焊接、航天航空等工业生产领域中。工业上常用的主流变质手段是采用某种单一的化学元素变质剂进行调控,结果往往只能对铝硅合金的一种或两种物相产生影响,不同的变质元素都会存在着某些生产工艺上或质量上的缺陷。铝硅合金在铸造过程中易产生气体夹杂,熔体内气体的含量是铸件质量的标杆之一,因此在变质调控的工艺中要尽量避免气体的产生,适当加入或改进除
【基金项目】
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2020年广东大学生科技创新培育项目,编号:pdjh2020b0185；
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铸造铝硅合金,无论是过共晶或亚共晶合金都已经被广泛地应用到汽车制造、焊接、航天航空等工业生产领域中。工业上常用的主流变质手段是采用某种单一的化学元素变质剂进行调控,结果往往只能对铝硅合金的一种或两种物相产生影响,不同的变质元素都会存在着某些生产工艺上或质量上的缺陷。铝硅合金在铸造过程中易产生气体夹杂,熔体内气体的含量是铸件质量的标杆之一,因此在变质调控的工艺中要尽量避免气体的产生,适当加入或改进除气除杂工艺以保持铸件内气体含量的低水平。稀土在铝硅合金的变质中展现出优秀的高效变质特性和除气净化特性,为了充分利用稀土的优势,本课题对过共晶和亚共晶铝硅合金应用混合稀土与廉价的Sb元素进行复合变质,同时耦合超声场处理,探究三者的交互作用与改性机理,开发出新型的节能环保、高效、低成本的铝硅合金显微组织调控工艺,为实现高性能铝硅合金提供理论依据和技术指导。采用修正后的KM-polytropic等方程,模拟不同参数下的气泡团簇非线性空化动力学行为,分析气泡生长过程产生的温度和压强对熔体的作用以获得最佳超声参数,并与实际熔炼试验的结果作对比,以丰富完善超声熔铸技术的理论基础。研究结果表明:（1）超声波模拟的空化气泡初始半径尺寸接近于超声波频率所对应的共振尺寸时,易发生激烈的空化效应,在一定的熔体超声条件下,应该对映着一个最佳空化气泡初始半径;当团簇内气泡初始半径与数量都相同时,气泡群团簇的初始半径越小,气泡越密集,气泡之间在次级Bjerknes的作用下相互吸引,彼此之间抑制生长;当气泡团簇半径一定时,团簇内的气泡数量越多,气泡间距变小,气泡之间相互的抑制作用产生叠加还会削弱空化效应;模拟计算显示,较低的超声功率只会使得气泡与超声波共振引起稳态空化效应。随着超声功率的增加,气泡的空化由稳态变成瞬态,气泡的膨胀幅度、运动周期、空化效应的剧烈程度相应增加。过高的超声功率使气泡的膨胀幅度过大而来不及压缩崩溃,超声场与气泡振动耦合程度降低,削弱了空化效应。（2）超声波熔铸实验表明,超声能显著击碎分散初生硅,细化初生硅的尺寸,调控α-Al的尺寸使其等轴化,有效地减小共晶硅的长度,能明显地提高合金的拉伸性能。（3）Sb能使过共晶铝硅合金的初生硅相尺寸能得到一定程度的减小,但对共晶硅的变质效果不明显;Sb能有效变质亚共晶合金的共晶硅组织,使其改性为细小的板片状。混合稀土可使初生硅尺寸减小并圆整化,共晶硅呈弥散的纤维颗粒状,但对α-Al粗大树枝晶改性效果较弱。过量的变质元素掺入都会导致偏析化合物相析出,破坏合金性能。（4）超声、混合稀土、Sb复合调控能得到最好的显微组织。对于Al-20Si合金,通过正交试验设计获得的最优复合调控方案为超声700W-0.2%RE-0.2%Sb;对于Al-6Si合金通过正交试验设计获得的最优复合调控方案为超声700W-0.2%RE-0.4%Sb;复合处理能使得铝硅合金各相都得到有效地调控,合金得到较好的拉伸性能;超声能显著减少Sb、稀土元素化合物析出相的团聚效应,提高了元素的变质效率。
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