添加Zr、La元素的Al-Zn-Mg-Cu合金凝固过程模拟及性能研究

发布时间：2017-07-20 20:19

  本文关键词：添加Zr、La元素的Al-Zn-Mg-Cu合金凝固过程模拟及性能研究

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【摘要】：Al-Zn-Mg-Cu(7000)系铝合金具有高的比强度,较高的韧性和较好的耐蚀性等优点,被广泛应用到航空航天和交通运输等领域。而航空航天器材的轻量化要求Al-Zn-Mg-Cu系合金具有更高的强度、韧性和抗应力腐蚀性能。但是,现有铝合金处理工艺在高强度-高韧性-高抗应力腐蚀方面存在不可协调性。通过优化铸造工艺、合金成分和热处理工艺,可以改善铝合金的综合性能。其中,微合金化对铝合金的性能提升具有显著效果。然而,关于添加微量Zr、La元素的7000系合金的研究鲜有报道。本文运用ProCAST软件模拟添加Zr、La元素的Al-Zn-Mg-Cu合金的凝固过程,优化出最佳工艺参数,并结合实验和相关性能测试,从而获得良好质量的铝合金铸件。本文主要研究结果如下:(1)微量Zr、La元素的加入,可与铝合金发生作用,细化铸态晶粒,提高力学性能。研究发现:0.1Zr、0.2La为Al-Zn-Mg-Cu合金的最佳添加量。(2)运用ProCAST模拟软件建立了Al-Zn-Mg-Cu-0.1Zr-0.2La铝合金的热力耦合模型、物性参数及其他相关参数,最后计算了合金的充型凝固过程。分析了不同条件下温度场、应力场的分布规律,优化出最佳的浇注工艺。其中铸件最佳的浇注工艺参数为:浇注温度740℃,模具温度210℃,浇注速度780mm/s。对最佳工艺参数下铸件的流场、集中缩孔、微观组织和裂纹进行了模拟分析,模拟结果基本符合实验结果。(3)根据ProCAST模拟软件优化的浇注工艺参数,分别浇注出Al-Zn-Mg-Cu、Al-Zn-Mg-Cu-0.1Zr-0.2La合金铸件,对合金的拉伸性能和断口形貌进行了研究分析。拉伸实验表明:0.1Zr、0.2La的添加,使固溶时效处理后的合金的抗拉强度得到明显提高;拉伸断口形貌分析表明:0.1Zr、0.2La的添加,使合金的断裂方式从沿晶断裂变为韧窝型穿晶断裂,提高了合金的韧性。
【关键词】：Al-Zn-Mg-Cu铝合金 ProCAST 数值模拟 显微组织 拉伸性能
【学位授予单位】：新疆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG292
【目录】：

• 摘要2-3
• Abstract3-7
• 第一章 绪论7-21
• 1.1 工程背景及意义7-8
• 1.2 Al-Zn-Mg-Cu系合金的研究现状及进展8-11
• 1.2.1 国外研究8-10
• 1.2.2 国内研究10-11
• 1.3 各元素的作用11-13
• 1.3.1 主要合金元素11-12
• 1.3.2 微量元素的作用12
• 1.3.3 杂质元素的作用12-13
• 1.4 铝合金的各种强化机理13-15
• 1.5 超高强铝合金的热处理工艺15-16
• 1.6 铸件凝固过程数值仿真发展概况16-18
• 1.6.1 国外研究现状16-18
• 1.6.2 国内研究现状18
• 1.7 本课题的主要研究内容及技术路线18-21
• 1.7.1 研究内容18-19
• 1.7.2 技术路线19-21
• 第二章 实验样品制备及试验方法21-26
• 2.1 实验设备21
• 2.2 材料选择及试样制备21-24
• 2.2.1 实验材料21-22
• 2.2.2 试样制备过程22-24
• 2.3 实验方法24-26
• 2.3.1 添加不同Zr、La元素铝合金的组织观察24
• 2.3.2 添加不同Zr、La元素铝合金的硬度测试24-25
• 2.3.3 添加不同Zr、La元素铝合金的拉伸测试25
• 2.3.4 添加不同Zr、La元素铝合金的拉伸断口形貌分析25-26
• 第三章 Al-Zn-Mg-Cu-x Zr-x La合金成分优化26-31
• 3.1 引言26
• 3.2 Zr、La元素对合金金相组织和硬度的影响26-28
• 3.2.1 不同Zr、La元素含量的合金金相组织26-27
• 3.2.2 不同Zr、La元素含量的合金硬度27-28
• 3.3 铸态合金SEM组织28-29
• 3.4 均匀化处理对合金金相组织的影响29-30
• 3.5 本章小结30-31
• 第四章 Al-Zn-Mg-Cu-0.1Zr-0.2La合金凝固过程数值模拟及分析31-55
• 4.1 引言31
• 4.2 ProCAST软件简介31-32
• 4.2.1 铸造模拟软件ProCAST介绍31
• 4.2.2 ProCAST模拟流程31-32
• 4.3 数值模拟计算基本理论32-36
• 4.3.1 充型过程数值模拟32-34
• 4.3.2 凝固过程数值模拟34-35
• 4.3.3 缩孔缩松的预测35-36
• 4.4 浇注过程的模型建立36-39
• 4.4.1 模拟铸造系统的网格建立36-37
• 4.4.2 Al-Zn-Mg-Cu-0.1Zr-0.2La合金物性参数设置37-38
• 4.4.3 Al-Zn-Mg-Cu-0.1Zr-0.2La合金边界条件的设置38-39
• 4.5 充型凝固过程模拟分析39-50
• 4.5.1 浇注温度对铸件充型凝固过程的影响39-42
• 4.5.2 模具温度对铸件充型凝固过程影响42-46
• 4.5.3 浇注速度对铸件充型凝固过程的影响46-50
• 4.6 最佳工艺参数条件下模拟分析50-53
• 4.6.1 充型凝固过程的流场分析50-51
• 4.6.2 充型凝固过程的集中缩孔分析51-52
• 4.6.3 充型凝固过程的应力场分析52
• 4.6.4 充型凝固过程的微观组织分析52-53
• 4.7 本章小结53-55
• 第五章 Al-Zn-Mg-Cu-0.1Zr-0.2La合金铸件性能研究55-58
• 5.1 引言55
• 5.2 合金铸件拉伸性能测试55-56
• 5.3 拉伸断口分析56-57
• 5.4 本章小结57-58
• 第六章 结论与展望58-60
• 6.1 结论58-59
• 6.2 展望59-60
• 参考文献60-64
• 攻读硕士期间发表论文64-65
• 致谢65-66

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本文编号：569832