高强铝合金气刀半连续铸造研究

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铝合金半连续铸造过程是一个包含几何非线性、材料非线性等众多非线性因素的复杂动态凝固过程,各种铸造缺陷如晶粒粗大、裂纹和组织、成份偏析等都是在凝固过程中形成的。半连续铸造过程的实现涉及工艺、设备与环境等诸多因素的组合与精确控制。本课题根据我国航空用高强铝合金发展的需要,开发高强铝合金铸造的新技术-气刀半连续铸造。通过数值模拟的方法,结合一定的试验手段,研究铸造设备和工艺对锭坯质量和铸造过程稳定性的影响,目的是开发高合金化大尺寸铸锭的高效经济铸造技术,解决我国高强铝合金生产中的瓶颈问题。本文对二次冷却水有效水流量和利用率进行了研究,考察了气刀工艺参数对吹拂二次冷却水效果的影响,并确定获得最佳的吹拂效果的工艺参数;采用数值模拟的方法,研究了550mmx1600mm铸锭气刀半连续铸造过程中的熔体流动、热量传输和应力应变场,讨论了分流方式、冷却方式和气刀参数对气刀半连续铸造的影响。通过实验和模拟结果分析,得出如下结论:(1)二次冷却水的利用率随水流量和喷水角度的增加而降低;凸凹不平的表面状态可以提高二冷水利用率;适当流量的小角度二冷水可以提高大角度二冷水的利用率。(2)近壁面最大压力随气刀距壁面距离增大而减小;近壁面最大压力随气刀角度的增大而先增大后减小,30。时近壁面最大压力为最大。.(3)减小气刀与壁面距离可以减小临界吹拂气压值;临界吹拂气压值随气刀角度的增大而先减小后增大,30。是最佳吹拂角度。(4)计算结果显示:使用带过滤网的方形分流可以使熔体在熔池内均匀的流动且液穴较浅;大小面冷却水量不同有利于铸锭内温度均匀,减少侧裂纹;冷却水量减少液穴加深;施加气刀能使铸锭表面温度明显回升,从而降低铸锭内外温度梯度;气刀位置上移,液穴变深,表面温度回升大;施加气刀后铸锭中产生的Mises塑性应力和应变都相应地减小。(5)通过实验证明在半连续铸造过程中施加气刀,可有效的抑制裂纹的发生,但增加了晶粒尺寸。本文的研究结果表明,气刀半连续铸造是获得无裂纹缺陷的高强铝合金铸锭的一种简单、高效、经济的新方法。有效解决了高合金化的超高强铝合金铸锭制备困难这个制约我国铝合金发展的瓶颈问题。
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