（材料加工工程专业论文）高强耐蚀20243003梯度铝合金的研究.pdf

摘要 摘要 双流浇注连续铸造( d s p c c ) 是一项制备复合材料的新技术，它为解 决材料内部和外部需要不同性能要求这一类问题提供了一条有效的途 径。为了满足材料芯部高强度和表面耐腐蚀的性能要求，本文采用d s p c c 工艺，研制了一种新型高强耐蚀梯度材料一2 0 2 4 3 0 0 3 梯度铝台金。该合 金具有强度高、耐蚀性优良、成形性能好等优点。主要研究内容及结论 如下： 研究了2 0 2 4 3 0 0 3 梯度铝合金铸件横截面上的组织、硬度和成分分 布，采用定性分析和数值模拟相结合的方法分析了铸造工艺参数对合金 成分梯度分布的影响。结果表明，铸件横截面上组织、力学性能和成分 呈现梯度分布特征，三者之间有很好的对应关系。铸造工艺参数对合金 成分和组织梯度分布特征有显著的影响。内导管节流孔径从1 8m m 增大 到2 0m m 和内浇包熔体温度从1 0 2 3k 提高到1 0 7 3k ，能够有效地提高 芯部2 0 2 4 合金体积分数。内导管插入结晶器从0m m 增大到1 5m m ，能 够有效地减少过渡区域梯度分布非均匀性现象，但外层合金的凝壳增厚。 d s p c c 工艺在铸件横截面沿径向形成成分梯度分布特征，合理搭配内、 外浇包流量是关键；在纵截面沿轴向梯度分布特征连续稳定，保持稳定 的拉坯速度是关键。 研究了2 0 2 4 3 0 0 3 梯度铝合金圆锭的塑性变形。根据材料自身特点 建立简化模型，采用m s c m a r c 软件模拟了2 0 2 4 3 0 0 3 梯度铝合金的压制 变形过程。结果表明，在变形温度7 5 3k ，压制力大于6 0m p a 的工艺条 件下，2 0 2 4 3 0 0 3 铝合金圆锭被压制成厚度为1 6 5m m 的板材。铸态下的 梯度结构特征经大塑性变形后仍得到保持。模拟结果获得了梯度材料大 塑性变形时梯度层变化规律和应力场、应变场分布规律。为了分析变形 后板材利用率问题，利用几何解析方法总结出形变后板材加工的材料损 耗率珊和理想板宽占同压制比门、内外合金分界圆r 的数学关系。 研究了2 0 2 4 3 0 0 3 梯度铝合金的热处理工艺。结果表明，2 0 2 4 3 0 0 3 梯度铝合金的t 6 处理最佳参数为：在4 9 5 温度固溶处理4 5m i n ，随 后在18 5 温度时效处理1 2h 。热处理后合金的抗拉强度和屈服强度显 著提高。t 6 状态下力学性能最佳值为：抗拉强度3 0 0 m p a ，屈服强度1 3 2 m p a ，伸长率1 6 1 ，芯部洛氏硬度h r f7 2 。热处理使2 0 2 4 3 0 0 3 梯度 铝合金芯部产生沉淀强化效应，热处理后芯部台金基体中出现了 s ( a 1 2 c u m g ) 、a 1 2 0 c u 2 m n 3 和o ( c u a l 2 ) 强化相。 华南谨工夭攀工擎博士学位论文 采蔫簸雾璃键、缝踩腐镶秘盐承浸溃瓣诖三耱试验方法，研究了 2 0 2 4 3 0 0 3 梯度镪合焱的腐蚀组织郛耐疼蚀性能。结果袭鼹，农相隧试验 条俘下，2 0 2 4 1 3 0 0 3 梯度含垒( 压制面) 妊有同3 0 0 3 台盒相当的耐腐蚀性 能，2 0 2 4 3 0 0 3 撵度合金( 撵度瑟) 戆平均黯馁失熬积乎蝣建镶速零夯予 2 0 2 4 t 3 0 0 3 梯魔合金( 压制谳) 和2 0 2 4 合金二者之间。微观组织是影响梯 度锈禽金鹰镳鹣定要潦金霾索。不蠢游漆竣方法，2 0 2 4 3 0 0 3 梯废鹬台金 产生的腐蚀机理_ 靼发生的腐蚀形式有一定的区别。 憨之，采露d s p c c 法割备静2 0 2 4 3 0 0 3 梯度铬金，不议w 替代3 0 0 3 含金的部分应用场合，还将大大扩展其应用藏屡，特别缝合予在长甥饕 蚀工况下需要承力的妫台用作结构件。上述研究成果对该材料获得实际 痊熙寮重要豹接翡终爝。 美穗淘；攀连续铸造；双滚浇注 裙炭复合辫耨；2 0 2 4 3 0 0 3 一一 a b s t r a c t d o u b l e - s t r e a m - p o u r i n gc o n t i n u o u sc a s t i n g ( d s p c c ) i s an o v e l t e c h n i q u ep r e p a r i n gc o m p o s i t em a t e r i a l s i ts o l v e st h i sk i n dp r o b l e mt h a tt h e p r o p e r t yi ni n t e r n a ll a y e ri sd i f f e r e n tf r o mt h ep r o p e r t yi ne x t e r n a ll a y e r 。i n o r d e rt om e e t p r o p e r t yt h a tn e e d e df o ram a t e r i a li nw h i c ht h ee x t e r n a la l l o y h a v ee x c e l l e n tc o r r o s i o nr e s i s t a n c ea n dt h ei n t e r n a la l l o yh a v e h i g hs t r e n g t h ，a n o v e lh i g h s t r e n g t ha n dc o r r o s i o n - r e s i s t i n gg r a d i e n tm a t e r i a l s - - 2 0 2 4 3 0 0 3 g r a d i e n ta l u m i n u ma l l o yw a sd e v e l o p e db yd s p c ct e c h n i q u e 量th a sh i g h s t r e n g t h ，e x c e l l e n t c o r r o s i o n r e s i s t a n c e ，a n d g o o dd e f o r m a b i l i t y i n t h i s d i s s e r t a t i o n ，t h ef o l l o w i n gr e s e a r c h a s p e c t s a n dc o n c l u s i o n sh a v e b e e n a c c o m p l i s h e d ， t h em i c r o s t r u c t u r e s ，h a r d n e s sa n d c o m p o s i t i o n d i s t r i b u t i o no ft h e 2 0 2 4 30 0 3g r a d i e n ti n g o t sw a s i n v e s t i g a t e d ，t h ei n f l u e n c e so ft h ep r o c e s s i n g p a r a m e t e r so nd i f f e r e n tc o m p o s i t i o np r o f i l ew e r ea n a l y z e d t h r o u g hq u a l i t a t i v e a n a l y s i s a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h e f 拽i e o s l r 珏e t 稚r e 蓦。h a r d n e s sa n d c o m p o s i t i o no ft h ea l l o yh a v eg r a d i e n tf e a t u r e ，a n dt h eg o o dc o r r e s p o n d i n g r e l a t i o n s h i pa m o n gt h e s et h r e ef a c t o r sh a sb e e no b t a i n e d 。t h ei n f l u e n c e so f t h ep r o c e s s i n g p a r a m e t e r so nt h ec o m p o s i t i o na n dm i c r o s t r u c t u r ed i s t r i b u t i o n s w e r eo b v i o u s t h ev o l u m er a t i oo fi n n e ra l l o yi nt h ei n g o tc o u l db ei n c r e a s e d b ye l l l a r g i n gt h et h r o t t l eb o r ed i a m e t e rf r o m1 8m i l lt o2 0m ma n de l e v a t i n g t h et e m p e r a t u r eo fi n n e rm e l tf r o m10 2 3kt o10 7 3k t h en o n h o m o g e n e o u s p h e n o m e n ai n t h et r a n s i t i o nz o n ec o u l db er e s t r a i n e d b ye l o n g a t i n g t h e s u b m e r g e dl e n g t ho ft h en o z z l ef r o m0m m t o15m m ，b u tt h et h i c k n e s so f s o l i d i f i e ds h e l li ne x t e r n a la l l o yw a s n c r e a s e d 。t h em o d e s t a r r a n g ei 珏t h ef l u x o fi n t e r n a lm e l ta n de x t e r n a lm e l tw o u l df 。r mt h eg r a d i e n tf e a t u r eo i lt h ec r o s s s e c t i o no fi n g o t t h es t e a d yc a s t i n gv e l o c i t yw o u l dr e a l i z et h ec o n t i n u o u sa n d c o n s i s t e n tq u a l i t yo nt h el o n g i t u d i n a ls e c t i o n ， r e s e a r c ho nt h ep l a s t i cd e f o r m a t i o no f2 0 2 4 3 0 0 3 g r a d i e n ta l l o yw e r e c a r r i e do u t t h el a y e r e dm o d e lw a se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt et h es p e c i a l t yo f m a t e r i a l t h ed e 舳r m a t i o np r o c e s sw a ss i m u l a t e d b y m s c m a r cs o f t w a r e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h e0 6 5m m i n g o tw a sp r e s s e di n t oi 辱5m m b o a r dw h e n t h et e m p e r a t u r eo ft h ei n g o tw a s7 5 3ka n dt h ep r e s s u r ew a sm o r et h a n6 0 m p a t h ec o e x i s t i n gm i c r o s t r u c t u r eo fi n t e r n a la n de x t e r n a l l a y e r s i nt h e t r a n s i t i o nz o n ew a sm a i n t a i n e da f t e rp l a s t i cd e f o r m a t i o no ft h ea l l o y 。t h e 1w 。! ：。：。煮篓塑墼墼蝥彗至：璺塑墼黧! 至茎黧! 黧堡墼坠。一： ! ，! g r a d i e n t f e a t u r eo fl 建i r o s t r u e t 毡f ea n dh a r d n e s si nt h ec r o s ss e c t i o nw a s m a i n t a i n e da f t e rh o td e f o r m a t i o n t h e c h a n g eo fg r a d i e n ts t r u c t u r ea n dt h e d i s t r i b u t i o no fs t r e s sf i e l da n ds t r a i nf i l e dw e r eo b t a i n e da f t e rs i m u l a t i o n 。a g e o m e t r ym e t h o dw a sp u tf o r w a r df o rt h ed e f o r m e db o a r dt oa n a l y s i st h er a t i o i nu s e 。t h er e l a t i o n sb e t w e e nt h e u n q u a l i f i e dm a t e r i a l sr a t i o 劣o ri d e a l b o a r dw i d t hb a n d p r e s s r a t i o 甩o r d i v i d i n g c i r c l er a d i u srw e r e s u m m a r i z e d 。 t h eh e a tt r e a t m e n tt e c h n i q u eo ft h e2 0 2 4 3 0 0 3 g r a d i e n tm a t e r i a l sw a s i n v e s t i g a t e d t h eb e s tt 6r o u t eo f2 0 2 4 3 0 0 3 i s s o l u t i z i n ga t4 9 5 f o r 4 5 m i na n da g i n ga t 8 5 f o rl2h 。t h et e n s i l es t r e n g t ha n dt h ey i e l ds t r e n g t h w e r ei n c r e a s e dd i s t i n c t l yt h r o u g hh e a t t r e a t m e n t 。t y p i c a lm e c h a n i c a lp r o p e r t y o ft h e g r a d i e n ta l l o y i nt 6h e a tt r e a t e dc o n d i t i o ni s3 0 0m p & i nu l t i m a t e t e n s i l es t r e n g t h ，13 2m p ai ny i e l ds t r e n g t h ，l6 1 i ne l o n g a t i o na n dh r f7 2 i nh a r d n e s si nt h ei n t e r n a ll a y e r p r e c i p i t a t i o ns t r e n g t h e n i n ge f f e e tt o o kp l a c e i nt h ei n t e r n a lz o n ea f t e rh e a tt r e a t m e n t 。t h e r ew e r e s ( a 1 2 c u m g ) 、 a 1 2 0 c u 2 m n 3a n d 拧( c u a l 2 ) p h a s e si nt h em a t r i x t h ee o r r o s i v em i c r o s t r u c t u r ea n dt h ec o r r o s i o nr e s i s t a n c eo ft h eg r a d i e n t m a t e r i a lv c e r ei n v e s t i g a t e du s i n gt h ea r t i f i c i a la c c e l e r a t e dc o r r o s i o nt e s t ( s a l t s p r a yc o r r o s i o nt e s ta n dg a pc o r r o s i o nt e s ta n ds a l tw a t e rd i p p i n gc o r r o s i o n t e s t ) r e s u l t s s h o w e dt h a t2 0 2 4 3 0 0 3 g r a d i e n ta l l o y ( p r e s s e dp l a n e ) h a s e x c e l l e n tc o r r o s i o nr e s i s t a n c et h a ti s n e a r l y t h es a m ea st h ec o r r o s i o n r e s i s t a n c eo f3 0 0 3a l l o yu n d e rt h es a m ec o r r o s i v ec o n d i t i o n ，t h ea v e r a g e d w e i g h tl o s ea n dt h ec o r r o s i v er a t i oo ft h eg r a d i e n tm a t e r i a l ( g r a d i e n tp l a n e ) w e r ei nt h er a n g eb e t w e e nt h o s eo f2 0 2 4 3 0 0 3a l l o y ( p r e s s e dp l a n e ) a n dt h o s e o f2 0 2 4a l l o y t h e 丑耋i e o s t 毽e t 毽f ei st h em a i nf a c t o ri n f l u e n c i n gt h ec o r r o s i o n 。 t h ec o r r o s i v em e c h a n i s ma n dc o r r o s i o nf o r mw e r ed i f f e r e n ti n2 0 2 4 3 0 0 3 g r a d i e n ta l l o yu n d e rd i f f e r e n tc o r r o s i v ec o n d i t i o n s i n 鑫w o r d ，t h e2 0 2 4 3 0 0 3g r a d i e n ta l l o yp r e p a r e db yd s p c ct e c h n i q u e n o t o n l y s u b s t i t u t e3 0 0 3 a l l o y i ns o m e o c c a s i o n ，b u t a l s o e n l a r g e t h e a p p l i c a t i o n a r e a 。i tc o u l db eu s e da st h el o a d b e a r i n gw o r k p i e c e i nt h e c o r r o s i v ee n v i r o n m e n tf o ral o n gt i m ea s t h ea b o v e * m e n t i o n e dr e s u l t sw o u l d p r o p e lt h ep o p u l a ra p p l i c a t i o no f 2 0 2 4 3 0 0 3g r a d i e n tm a t e r i a l s ， k e y w o r d s ：s e m i - c o n t i n u o u s c a s t i n g ，d o u b l e m s t r e a m - p o u r i n g ，g r a d i e n t c o m p o s i t em a t e r i a l s ，2 0 2 4 3 0 0 3 一i v 第一章绪论 第一章绪论 新材料的发展水平，已成为衡量一个国家科技发展水平和国民经济 实力的重要标志之一。现代科学技术的飞速发展，对研制和开发各种具 有卓越性能的新材料产生了巨大的推动作用。其中，梯度复合材料的发 展是新材料发展中非常重要的组成部分m ，】。 1 1梯度复合材料的研究进展 2 0 世纪7 0 年代初b e v e r 和d u w e z t 一】首先提出了一个设想，在材料制 备过程中，可以使材料的组成具有某种梯度分布的特征。2 0 世纪8 0 年代 中期，日本研究人员 5 - s 正式提出了“梯度功能材料”( f u n c t i o n a l l yg r a d i e n t m a t e r i a l s f g m s ) 这个概念。在此之前，具有梯度分布特征的“层状( 双金 属) 复合材料”( c l a dm e t a lo rb i m e t a lc o m p o s i t es ) 也在相关文献中出现。 因此，可将这类在成分、组织和性能上具有梯度特征的材料统称为“梯 度复合材料”( g r a d i e n tc o m p o s i t e s l 。 1 1 1 梯度功能材料 1 梯度功能材料特点 梯度功能材料主要特点是材料在一维、二维或三维尺寸方向上具有 成分的梯度变化，直接的结果是使得材料的组织和结构产生梯度变化， 从而导致材料的性能也具备了梯度变化特征，如材料的力学性能、物理 性能、化学性能等】。图1 1 是梯度功能材料与传统均质材料和传统复 合材料在成分分布、组织结构和性能方面的差异1 1 1 】。 2 梯度功能材料研究概况 目前，梯度功能材料的研究已经由最初的航天领域扩展到机械、电 气、电子、化工、原子核工程和生物医学等众多领域c 1 0 , ”。“。梯度功能材 料研究分为三个部分：材料设计、材料制备和材料性能评价。 ( 1 ) 梯度功能材料的设计 梯度功能材料设计方法之一是逆向法。其基本思路是：利用有限元 或其他数值模拟技术，建立丰富的材料数据库，按照包括材料形状、组 织、性能和使用条件在内的技术要求，参照材料性能数据和设计基本资 料，选择最佳的材料体系组元来进行复合 2 t ，2 2 ；或是给定一组设计初始数 据( 如成分分布参数、物性值、边界条件等) ，进行相应的热传导和热应力 分析，确定最佳的复合参数，如各组元的成分混合比、体积分数等“】。 目前主要是开展了以松弛热应力为主的材料设计：”s 】。 华南理工大学工学博士学位论文 物理性箍 缎织结拇 崮斟斟 豳e o o 嚣o o o 测o e豳o o o 8 ：o ：l j豳辩i i f 熔0 。o 。o o 。o 。* 。0 。o li 。o 。o 。o o o o o = o f喀嚣3 善s g ：l 陵；燕嗣蘸强弱骶i i i 习 无抒闻肖界囿君井衄 (妨(b)( 。) 1 耐热性；2 导热系数；3 一热膨胀系数； ( a ) 均质材料；( b ) 复合材料；( c ) 梯度功能材料 篷l l均矮、复会窝撵度功怒耪辩熬挂娆窝续稳晓较 f i g u r e1 1c o m p a r i s o no fp r o p e r t ya n ds t r u c t u r ea m o n g ( a ) u n i f o r m m a t e r i a l s ，) c o m p o s i t e sa n d ( e ) f u n c t i o n a l l yg r a d i e n tm a t e r i a l s 梯度功能材料设计的另一种方法是直接法( d i r e c ta p p r o a c h ) t ”】，貘似 于“尝试”积“反复试验”洼， 罄要大量试骏数攒，提当费时费力，缀 不科学和经济，敝一直没有太多的研究报道。 ( 2 ) 榛鹰功襞耪糕驹裁簧 目前在该领域研究和初步应用的制备方法，大都是在常规材料的制 备方法基话上透过适当豹改造进行酶。最常觅的慧高温复合技术，大致 可以分为下列两种1 2 7 ) ：一是艇体法，其思路是用材料组元预先制督成整 体的坯样，然后采用一定的工艺方法进行复含，例如烧缩、强热点火等， 获褥艇霖性能螅擐度功能材料；二是表露处理法，熟气耀援获、嚷涂法 等，在材料基体寝面上沉积不同性能的另一种材料，使得复合后的艇体 罴有梯度特淫。滔耱方法豹摄本嚣静郝蓬使裁分努枣沿材料较向尺寸蠡每 变化而逐渐改变。近几年来有的学者开始采用低温方法谶行梯度功能材 辑复合工琶探索，主要集中在电傀学领域。下面简簧介绍几种梯度功能 材料主要制餐方法。 粉末冶金复含法魁按照材料设计时所要求的成分量鼯己制备种浓度的 混合粉末，在某一缝元浓度连续变纯的方爽上，痿次往摸型孛壤充粉寒， 然后逃行压制烧结，得刹梯艘功能材料的复合技术m 一，。 蠡蔓延窿溢复合法是利溺参与合戎反盔鹣粉束混合物在燃烧对释藏 出的大量热能促使反应持续进行，获得梯度功能材料 3 2 - ”l 。 气稻沉积复含法包括物穗气稻沉积( p v d ) 、纯学气相沉积( c v d ) 及其 二者缎合。p v d 和c v d 是通过改燮混合物螅发应比例来改变泼积到纂体 2 一 第一章绪论 上反应物的成分 3 4 , 3 5 。p v d c v d 组合技术是利用化学气相沉积温度一般 高于物理气相温度的特点，在基体材料低温侧采用p v d 法，在高温侧采 用c v d 法。 喷涂法适用于原始材料为液相的情况，最大的特点是灵敏度高，沉 积速度快，不受工件形状制约，缺点是只能制各很薄的涂层和薄膜【3 6 ，3 7 1 。 低温制备梯度功能材料的工艺方法集中在电化学领域，主要包括电 镀、电泳、电铸和化学镀【3 l 】。 ( 3 ) 梯度功能材料性能评估 梯度功能材料应用中面临的重要问题是如何对其性能进行评估。通 常，在微观结构和微区性能评价方面，传统的仪器和分析方法可以借用， 如微区成分分析和硬度测量等。但是，由于梯度功能材料内部组成变化 复杂，各区域之间的性能相差很大，传统的测试方法很难精确评定梯度 材料整体性能，如电性能、磁性能、热性能、机械性能等。目前，梯度 功能材料评价方法主要有定量化实验、热冲击实验、机械强度实验和热 疲劳实验m 】，这些方法仅仅是针对梯度功能材料物性值实验测定等基础 性工作。 1 1 2 层状( 双金属) 复合材料 层状( 双金属) 复合材料是利用复合技术使两种或两种以上物理、化 学、力学性能不同的金属材料实现牢固的冶金结合而制备的一种复合材 料【4 0 】。该类型复合材料在保持组分特性的同时还具有“互补效应”，可以 弥补不同组分的缺点。层状( 双金属) 复合材料是异种金属以层状结合而形 成的复合材料，近三十年来受到广大材料研究人员的普遍重视。目前， 层状复合材料的研究重点是制备技术w 】，主要着眼于用作结构件。层状 ( 双金属) 复合材料的复合方法大体上可以分为三类：“固一固”相复合法、 “液一固”相复合法和“液一液”相复合法。 1 “固一固”相复合法 爆炸复合法是利用炸药作为能源，在炸药引爆后产生高速冲击作用 f 7 - 8 k m s ) 下，金属表面产生射流，清洁金属表面，同时在短暂时间内形 成一层薄的塑性交形区，进而熔化和扩散，从而实现不同金属的复合】。 该方法优点在于可以复合多种相同材料和不同材料，结合强度高，难于 形成脆性金属化合物，设备简单。但不适合连续化生产，且污染严重。 轧制复合法是利用高温和轧制时产生的高压而使不同的金属实现冶 金结合，又可细分为热轧复合和冷轧复合。轧制复合法生产成本低廉， 宜批量生产，成品尺寸大。缺点是轧制后需要后续处理和大功率轧制设 备。 3 华南理工大学工学博士学位论文 揍压复合是将惫垂金鞴耩基体表面清理藉簸装成挤蕊坯，然后赫遥 巍鲢湛度释按压魄挤压域形，在压力俸麓下霞不弱众矮鬻密接触实瑷复 合。该方法逡台予生产溅耪，德软赢是不能连续纯鸯产，藏设备器求高。 扩鼗受会法燕在低子缝元瓣粒嬉点瀑凄下，热擐获缀元秘瓣紧密接 触，剥照界霭出现抟原予扩散褥实现复合。该方法诃瓣镶能帮尺寸鞠熬 悉豫熬耱饕遴蠢笺合，毽复合过渡鼷薄，交澎羼开裂器袋落。 自莲延舞温复合( s h s ) t ”j 是剥嬲缝黢处豹霹燃溉会貔燃烧产生敖热 及反应产物，从箍实现蠲个德涟按媳郄传复合熬技术。该方法鼹膏麓糕 少、效率塞、产物缝襄_ i 艺攘慰篱犟等优点，爨蘸还处予实验赛犟 究蹬 段，实用价馕还有待提愆。 2 。“滚霞”程菱会法 铸造复合是将一种圃相纂体和另一种液姻复合鳃蠢雀铸模虎进静缝 合，其体酌方法是采取多种鑫瓣络体浇灌，毽在辩两上努免基藏次浇注， 夷浇注的金鞴熔体凝固耀，再浇注舄一矛争金属波，凝屡后鼯成复台材睾斗。 这种复合铸造制备的材料相当于异种金隅夹寇厚度的过渡堪。该方法 我蠡蹙在逶恣憨瀑发器瑟力下获褥瘫憨复食强度，逡予生产巢些鑫矮 复合材料的埏料。铸造嶷合的另一个热点在连续铸造方面，在后面将详 嫡费绍。 乾制复螽是将液态笈合缀元盘属连续浇注在固态基体金属带上，然 霸液态鑫属猩串西态下跨西态鏊体金满闻时避 轧枫轧翎，实蕊复舍。 该方法可一步实瑷嚣瓣鑫属嚣嚣玲袅结台，结合强壤赢，工序少，产最 内在冶鑫质凝好。值该方法不适合滩熔金属之间的复合。 暖瓣浚毅囊台是恕液态众瓣弱雾纯裁雾强熔潦瓣瀵羧结台起来，毳 搿雾纯液滴离速率凝蔺、高滤固态冷却以及液滴的掇击作用，在基体表 蕊形藏茏宏鬣旃轿、薄鞴餐小辩复合滚织。该方法舀经实疆了工篷纯生 产。 释辫菱合楚科甭靛满湿蒸体静液态念属凝蔷，使两叠耩截复合静一 耪方法。 3 。“滚滚”糨麓含法 鬟铸造复合是在瓷一羚力终蘑夸，先嚣浇注不霉黢努瓣熔接，程 镁熔体蠹成分羹掰选分，造戏凝固螽熬缀织袋分麸辨弱海连续渐变。该 方法美键在于魏籍逡嚣竣势会臻设诗，筏凝嚣凌籁裳残翡裙垒裙、次生 糕在离，岭力场申澄经磨攥度逡续分裙1 。 谈炎型复合弱另一耱形式是连续铸逸复合法，将在聪藤津缨奔缨e * 矗 第一牵缝论 l 。2 连续铸造制备梯度复合材料技术的研究概晁 1 2 1 连续铸造技术的发展现状及展望 1 连续铸造技术的发震蕊虢 建续铸造技术作为钢铁秘有色金属初坯嫩产中的一种广泛采用鲍工 艺，内于相对于型模铸造来说，它具有节约成本、改善铸锭质量、易于 采用爨动控剁技术等饯点，在生产中虽然已经应用多年，至今仍表现出 勃勃的生机。 滚态金属连续铸造耱鬣念旱纛1 9 懿宽率时裁懿提密，1 8 4 0 年s e l l e r s 在美因申请了连续铸造铅管的专利。在1 9 33 年，遗续铸造的先驱者德国 丸j u n g h a n s 采用立式带振动结晶器的逡铸枫，首先浇注铜铝合金获得成 功，使有色合金的连缕铸造晕在2 0 世纪3 0 年代就应用于生产。6 0 年代 后，连续铸造进入了工业应厢阶段，许多连铸设备相继闯世，连续铸造 技本农能源紧张瓣压力下褥到了遮猛麴发展。进入9 0 年代，连续铸造技 术又掀起了一场新的变革，许多新的连铸技术被先后提出，部分已处于 开发试玺产除段。”。 谯连续铸造的发展过程中，谶铸设备和技术的日益成熟和完善，是 与许多新技术的出现分不开的。其中代袭往静技术有j ：( i ) 中间苞侠速 更换技术；( 2 ) 聚用钢包回转台实现多炉连铸搜术；( 3 ) 缱晶糕在线调宽 技术；( 4 ) 多点弯曲和矫直技术；( 5 ) 结晶器液面控制和漏钢预报技术； 6 ) 燹氧纯浇注技术；( 7 ) 篷绩浇注技拳；( 8 ) 轻爨下鼓零； 9 ) 诗算援 自动控制技术；( 1 0 ) 气一水冷却、电磁搅拌威用等。 2 ，连铸技术发震静基本趋势 2 0 世纪9 0 年代后，连续铸造技术的发展出现了一些新的动向，主要 表现程开发和完镶新的连铸披未方面。 ( 1 ) 近终形遘铸 近终形连铸烂指邕接生产出接近产品最终尺寸和形状的邋续铸造方 式 49 1 。其鑫静是减少中阕热工王黟，节省魏滚，减少贮存秘缀短生产露 间，提高生产效率。近终形涟铸最早是为了开发遣铸薄板和薄带技术， 随后带动了连铸涟茕工艺静开发，最近几年弊形坯连铸渡连铸连辊技术 异军突起。耳前，最号1 人注目的怒连铸连轧( t s c c ，d r ) 技术。通过不断 的探索和改造，融有几种薄中厚板坯连铸连轧工艺，如德国西马克公司 瓣紧凑謦镄生产线( c s p ) 、德国嚣毽夷公霹的攘线生产繁钢线( i s p ) 、德垦 西马克公司和法豳的予齐洛尔公司合作开发的c p r 工艺蒋9 】，相继付诸 z 选纯。 。5 华南理工大学工学博士学位论文 ( 2 ) 单晶连铸 单晶连铸技术是建立在日本学者o h n o 发明的o c c ( o h n oc o n t i n u o u s c a s t i n g ) i ”一基础上的技术。其技术关键是在保证连续铸造过程顺利进行 的前提下，使得在热型结晶器中的熔体凝固从内部开始，液穴形状与一 般连铸形状相反。采用这种技术生产的铸锭内部缺陷少，性能可得到显 著的改善。单晶连铸技术将先进的定向凝固技术和高效的连铸技术相结 合，其进一步的开发研究无疑将是连铸技术发展中的巨大进步m ，。 ( 3 ) 高效连铸 高效连铸是以高拉坯速度为核心、生产率显著高于常规连续铸造的 技术。该技术特点是：高拉速、高质量无缺陷( 特别是无表面缺陷) 、高 温铸坯、高浇速率、高作业率【5 2 川。高效连铸的核心技术是结晶器技术。 高效连铸的主要难题是：在高的铸造速度下铸坯凝固壳减薄，壳壁摩擦 力增大，易引起漏钢事故；同时，恶化了熔体的清洁性，使铸锭易产生 内缺陷。因此，改善钢水的质量是实现高效连铸的关键。 ( 4 ) 连铸坯热送热装( c c d h c r ) 技术 连铸坯热送热装( c c d h c r ) 技术与传统工艺的差别是将切割( 或剪 切) 成一定尺寸、具有8 0 0 9 0 0 高温的铸坯直接送入与轧机配套的加热 炉中】。热送热装技术相对于传统工艺能显著节约能源，减少金属消耗， 提高成材率，简化工艺流程，提高产品质量。目前我国已有部分厂家采 用了该技术。 3 连续铸造技术的展望 发展连铸是我国冶金、材料等工业进行结构优化的重要手段，将使 我国金属材料生产的低效率、高消耗现状得到根本转变，并推动产品结 构向专业化方向发展。近终形连铸、单晶连铸、高效连铸、连铸坯热送 热装等先进连铸技术的发展将日益活跃，而且将带动一系列新型材料的 研制开发。 1 2 2连续铸造技术制备梯度复合材料的研究概况 采用连续铸造技术制备的梯度复合材料，主要是指层状( 双金属) 复合 材料，而用连铸的方法来制各梯度功能材料还未见报道。 层状复合材料连续铸造技术是近些年来逐渐发展起来的新工艺。生 产企业在利用现有成熟工艺和设备的基础上，结合复合材料理论，应用 于产品生产，从而获得了性能优良、价格低廉的梯度复合材料。现有层 状( 双金属) 复合材料连续铸造复合成形可以分为两大类：一类是“液一固” 复合，另一类是“液一液”复合。 6 第一章绪论 1 连续铸造“液一固”复合法 连续铸造“液一固”复合法实质是采用连续铸造技术对已有的芯材 进行包覆的连续铸造成形法，典型方法如下： ( 1 ) 轧辊复合连续铸造法 轧辊复合连续铸造法( c o n t i n u o u sp o u r i n gp r o c e s sf o rc l a d d i n g - - c p c i 是将轧辊辊芯垂直放于水冷结晶器中，将复合金属液浇注到配置在结晶 器上的耐火材料框架和辊芯之间，使复合金属液和辊芯熔合，并顺序向 上凝固，将凝固部分连续向下拉拔，从而实现连续铸造复合金属液，获 得梯度复合材料。该方法工艺简单，生产成本低，生产的梯度复合材料 性能好，对于解决外层合金复合的完整性及控制复合效果有独到的优点， 实际生产中产品的质量得到了保证】。但它对设备能力和厂房条件的要 求比较高，同时对操作人员要求有较高的能力和实际操作水平。 1 9 8 2 年日本学者山本厚生开始c p c 技术的研究，并申请了专利1 5 6 ， 现已用于工业化高速钢轧辊生产。1 9 9 6 年北京科技大学和冶金部钢铁研 究总院、邢台机械轧辊( 集团) 有限公司合作，在包覆层连铸工艺的基础 上开始电渣工艺复合轧辊的开发研究，目前取得了阶段性成果m 】。 ( 2 ) 复合线材铸拉法 复合线材铸拉法是热浸镀、连续铸造和拉伸变形三项工艺的结合。 它主要分为表面处理、钢丝预热、铸拉和后处理四个环节。表面处理包 括除油、酸洗、水洗和涂助焊剂，使得芯线表面清洁，保证得到性能良 好的结合界面。预热是为了形成良好的润湿环境，保持外层金属液温度 的稳定。然后连续铸造，芯线和外层金属液通过结晶器的冷却结合在一 起，随后在拉拔模中产生一定变形，得到良好性能和表面质量的梯度复 合材料。该方法的关键之处是连续铸锭和拉拔，它决定了产品的质量m 】。 ( 3 ) 反向凝固连续铸造法 2 0 世纪8 0 年代末期，德国阿亨大学钢铁研究所、曼内斯曼德马克公 司和曼内斯曼研究所共同提出了一种反向凝固连续铸造技术m ，。其基本 原理是将一定厚度的热轧或冷轧钢带作为母带，在进入高温流程前，对 母带进行一定的表面处理。低温母带以一定速度由下而上穿过凝固器中 一定高度的钢液，母带使其表面附近的钢水降温，在母带表面的两侧形 成新生相凝固层。当钢带离开钢液表面时，新生相凝固层和母带结合在 一起，形成数倍于原母带厚度的铸带。刚刚离开熔池时，铸带新生相凝 固层的表面还处于半凝固状态，置于凝固器上方的轧辊对铸带进行表面 平整初轧，从而得到表面平整、厚度均匀的连铸薄带，实现“连铸一热 轧一冷轧”连续在线一次完成。该方法的关键是准确控制工艺参数和母 7 带羲魏疆。 9 9 6 年j 京释援大学与东j 大学合作开始采孺爱囱凝戳法生 产不锈钢，碳钢复合带试验研究，取得了阶段性的成果。目前该技术尚处 予实黢骚交除羧，毯它是薄带遥终形连铸技拳瓣一令蔻涪毪鹣重要研究 方向f 6 o - 6 2 。图1 2 是屣向凝阐连铸薄带技术的原理示意图。 图i - 2 反向凝固连铸薄带技术原理示意图t w f i g u r e1 - 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo fr e v e r s es o l i d i f i c a t i o nt e c h n i q u e ( 4 ) 双结晶器连续铸造复合法 双结晶器连铸复合法，即多朦复合率于料一次铸造成形，是在连铸碳 钢材料表面无氧化、无夹杂和无油污的条件下，热态巍接连续铸造不锈 钢包覆层静复合材料连铸新技术。该方法豹琢瑷是芯鄢金属在高位嚣鹃 落一个结晶器中凝固，在拽坯力作用下谶入低位置的第二个结晶器中， j 琏：霄浇入井瑟复台金属液，藉滔内层金麟的高溢和步 瀑金属液静燕篷， 实现内外金属的扩散和熔含，最终形成结合良好的双众属复材料【6 3 1 。 该方法可省珞反囱凝露复合法中舔榜预热憝理翡工序，氇可省珞c p c 工 艺中需要对芯棒涂刷一层防氧化涂料的工序，工艺相对简单，节能降耗。 双结晶器连铸法关键接来穗子控麓不蘑铸造王蕊参数阂静耱蓬区嚣鞠解 决芯部坯的氧化保护等。 2 。连续铸逵“液一滚”复合法 连续铸造“液一液”复合法实质是采用连续铸造技术，将两种液态 金霾露露注入一令缝鑫器癌送嚣袋形戆笈台方法。其典型我表畜电磁控 制双金属连续铸造法和双流浇注避续铸造法。其中，取流浇淀连续铸造 法褥奁下一节中详缨套绥。 电磁控制双金属连续铸造法是在连接铸造工艺中使用电磁制劝技 8 第一章绪论 术，利用在结晶器宽度方向上的水平磁场，通过磁场对流动粒子产生的 洛仑兹力对金属液旌加作用，从而阻止两种金属液的混合，形成界面清 楚的梯度复合材料。具体的实施办法是在结晶器的下半部分安装水平磁 场，两种不同成分的金属液同时通过长型和短型浸入式水口进入结晶器 内，使结晶器内形成上下两个区域。外加电磁场对上层流动金属液产生 足够洛仑兹力，使之能够与金属液本身重力相均衡，从而阻止上下两个 区域的金属液混合】。连续铸造时，上层区域中的金属液形成外层金属， 而下层区域的金属液进入芯部成为内部金属，从而合成梯度复合材料。 该方法利用电磁场作用将结晶器分为上、下两个部分，解决了不同 金属之间的混熔难题，并且还能通过控制磁场强度、拉坯速度以及两种 金属熔体的浇注速度，保证外层金属厚度稳定和组织性能均匀，是一种 制备梯度复合材料的非常先进的方法。但它对设备制造、工艺水平、操 作技能及自动化控制的要求都较高，实现起来困难较多，。 3 连续铸造技术制备梯度复合材料展望 梯度复合材料的优越性、诱人的发展前景和巨大的应用潜力已经展 现在面前，对于材