2024铝合金半固态触变成型研究开题报告.doc

哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）开题报告题目：2024铝合金半固态触变成形研究系（部）材料工程系专业材料成型及控制工程学生孙文龙学号1089522107班号0985221指导教师陈刚开题报告日期2011.10.21哈尔滨工业大学华德应用技术学院说明一、开题报告应包括下列主要内容：1通过学生对文献论述和方案论证，判断是否已充分理解毕业设计（论文）的内容和要求2进度计划是否切实可行；3是否具备毕业设计所要求的基础条件。4预计研究过程中可能遇到的困难和问题，以及解决的措施；5主要参考文献。二、如学生首次开题报告未通过，需在一周内再进行一次。三、开题报告由指导教师填写意见、签字后，统一交所在系（部）保存，以备检查。指导教师评语：指导教师签字：检查日期：1课题研究的目的和意义1.1研究目的近些年来，由于军工和民用工业现代化和轻量化的需要以及铝合金自身的特点，以铝代钢的要求日益迫切，铝合金已成了各个工业部门机械零件必不可少的材料，有关其成形的新工艺也不断出现，金属的半固态触变成形工艺就是其中之一。半固态触变成形可以利用压铸、挤压、模锻等常规工艺进行加工成形，也可以用其他特殊的加工方法成形为零件，因此该工艺是一种具有潜在应用前景的新型金属加工工艺。2024铝合金为硬铝中的典型合金，其成分比较合理，综合性能较好，是硬铝中用量最大。目前主要采用锻造加工方法，但材料利用率较低，成本较高；而采用铸造技术不能满足其高力学性能的使用要求。本课题拟采用半固态触变成型技术，进行2024铝合金的触变成型研究。1.2研究意义铝合金的传统的加工方法一般为铸造方法和锻压方法。锻压能够保证零件的高强度，但是由于加工方法的限制，一般不能生产形状复杂的零件，特别是薄壁件；铸造可以生产形状复杂的零件，但力学性能较低。目前薄壁零件的生产方式尚为传统的锻坯-机械加工的生产方式，但由于机械加工生产复杂零件时材料利用率不高（只有10），产品质量不够好，生产效率低，生产成本高等缺点，因此该种工艺也不能满足现在大批量、低成本的生产要求；为了保证在高质量的前提下经济地生产出该零件，需要寻找新的生产工艺来生产。半固态加工方法是一种新型材料成形方法，这种方法是当合金坯料处于液态与固态共存时，对其施加压力使之在模具中成形的工艺方法。半固态成形技术加工温度低（与铸造相比），变形抗力小（与锻压相比），因此可以说，铸造的成形性与锻件的机械性能在半固态金属成形技术中实现了完美的统一。因此，铝合金的半固态成形已成为近些年金属材料成形研究的热点之一。通过毕业设计，掌握半固态触变成形技术的基本成型技术的基本原理，研究不同的成形工艺参数对制作微观组织和力学性能的影响，探索2024铝合金半固态触变成形的最佳工艺参数。2半固态加工技术2.1半固态加工的概念半固态金属加工是金属在凝固过程中，进行强烈搅拌或通过控制凝固条件，抑制树枝晶的生成或破碎所生成的树枝晶，形成具有等轴、均匀、细小的初生相均匀分布于液相中的悬浮半固态浆料，这种浆料在外力的作用下，即便固相率达到60%仍具有较好的流动性。可以利用压铸、挤压、模锻等常规工艺进行加工成形，也可以用其他特殊的加工方法成形为零件。这种既非完全液态，又非完全固态的金属浆料加工成形的方法，称为半固态金属加工技术，简称SSM。半固态加工的主要成形手段有压铸和锻造，此外也有人试验用挤压和轧制等方法。其工艺路线主要有两条：一条是将搅拌获得的半固态浆料在保持其半固态温度的条件下直接成形，通常被称为流变铸造（Rheo-casting）；另一条是将半固态浆料制备成坯料，根据产品尺寸下料，再重新加热到半固态温度成形，通常被称为触变成形（Thixoforming）图2-1半固态金属加工的两种工艺流程2.2半固态加工的主要工艺过程2.2.1流变成形（Rheocasting）流变成形又称流变铸造（Rheocasting）是将经过搅拌等特殊工艺获得的半固态浆料直接进行半固态成形。由于半固态金属浆料的保存和传输很不方便，因而这种成形方法投入实际使用的较少，但流变成形工艺流程短、设备简单、节省能源，仍然是未来金属半固态成形的一个重要发展方向。与普通铸造相比，流变铸造有许多优点：晶粒细小、偏析减少、结构分布均匀、减小了收缩、微缩孔和裂纹、改善了铸件的机械性能。日本学者最近在此方向进行了有益的探索，该工艺的半固态金属浆料是利用电磁搅拌直接在射室中制备，然后将其挤入模具型腔成形，Al-7%Si-0.3%Mg半固态成形件的性能比液态挤压铸件的性能高，而与半固态金属触变成形件的性能相当。机械搅拌是实现流变铸造的简单有效方法，但有其不足之处，如在剪切速率低的死区中，悬浮液粘度大，容易得到粗大的晶粒而使结构不均匀；另外，作为搅拌器的金属直接接触半固态金属，会使其受到污染，如果采用电磁搅拌技术则可以避开这些缺点。Winter等设计了能生产直径从38mm到152mm铝合金锭的电磁流变铸造系统，由一个两极多相的电机定子在半固态金属中生产旋转磁场实现搅拌的目的。电磁搅拌器直接安装在普通连铸的模子上，得到平均晶粒直径为30µm数量级的铝合金铸锭。对于铸速大于2m/min，当铸锭的断面尺寸较大时，细化效果也不是很明显2.2.2触变成形（Thixoforming）触变成形是将经搅拌等特殊工艺获得的半固态坯料冷却凝固后，按照所需要的尺寸下料，再重新加热至半固态温度，然后放入模具型腔中进行成形的方法。由于在触变成形时，半固态金属坯料的加热、传输很方便，成形过程容易控制，便于实现自动化的生产。因此，此方法在实际生产中应用比较广泛。半固态金属的触变成形可以分为几种：一是触变铸造(Thixoforming)，其成形设备是压力机；二是触变锻造(Thixoforging),其成形设备是压力机；三是触变轧制，其成形设备是轧机；四是触变挤压，其成形设备是挤压机。以上成形方法的前两种工艺是目前实际生产中已经成熟的工艺，而后两种工艺尚不成熟。(1)触变铸造(Thixocasting)触变铸造是指把经在固-液温度间搅拌的金属先制成非枝晶锭料，然后根据所作零件的大小截成小的坯料，再将坯料重新加热到半固态温度后压入模具的方法。用该方法可以将非枝晶锭料的制备和成形完全分开，便于组织生产，而且容易实现自动化操作，因而触变铸造是目前半固态成形技术中应用最多的方法。(2)触变锻造(Thixoforging)触变锻造和触变铸造相似，不同之处在于：触变铸造是将半固态坯料由压力机的压头压入已合型的模具中，触变锻造是将半固态金属先置于一半开型的模具中，另一半模具有压力机带动完成合型，坯料主要发生压缩变形而形成所需形状。触变锻造可以成形变形抗力较大的高固相分数的半固态材料，并能生产一般锻造难以达到的复杂形状零件，适合于高熔点金属的半固态成形。并且显著减少了工艺环节，降低了加工成本，耗能少、切削量小、材料的利用率高。(3)触变轧制(Semi-Solidrolling)半固态轧制的主要目的是生产高质量的板材。其方法可分为流变轧制和触变轧制。流变轧制是指将经搅拌的半固态浆料直接送入轧辊中进行轧制，而触变轧制是将预先制好的非枝晶锭料重新加热到半固态温度后，再送入轧辊中。与触变铸造和流变铸造相似，触变轧制的优点是坯料的生产和轧制可以独立进行；流变轧制省去了锭料的凝固和再加热过程，缩短了生产周期，减少了能耗，可以连续的生产板材。目前，半固态轧制存在的主要问题是当固相分数小于0.7时，因液-固相流动会引起组织不均匀。触变挤压(Thixo-extrusion)触变挤压是将半固态金属坯料移入挤压模腔内，然后通过模具挤出成形。触变挤压的优点有：扩大了复杂件的成形范围，改善了产品的成形性，无锻压效应（无织构），Al、Mg轻质高强合金、MMC及钢等都可以挤压成形（如复杂的几何形状、薄壁构件等）。2.3半固态加工技术特点半固态金属(合金)的内部特征是固液相混合共存，在晶粒边界存在金属液体。半固态金属的金属和力学性能主要有以下几个特点。(1)由于固液共存，在两者界面熔化、凝固不断发生，产生活跃的扩散现象。因此溶质元素的局部浓度不断变化；(2)由于晶粒间或固相粒子间夹有液相成分。固相粒子间几乎没有结合力，因此，其宏观流动变形抗力很低；(3)随着固相分数的降低，呈现黏性流体特性，在微小外力作用下即可很容易变形流动；(4)当固相分数在极限值(约75)以下时，浆料可以进行搅拌，并可很容易混入异种材料的粉末、纤维等，如图2-2所示：图2-2半固态金属和强化粒子的搅拌混合