高强铝合金7075半固态流变制浆技术及装置的研发

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半固态流变成形技术作为一种复杂形状零部件的净近成形工艺,具有短流程、低成本、产品性能好等优势,近年来备受关注。流变成形技术投入大规模工业应用的前提与关键在于高效、稳定的流变制浆工艺。高强铝合金7075具有优越的力学性能,已广泛运用在飞机、汽车等领域。传统的塑性成形方法生产效率低、成本高,流变成形方法有望以较低的成本生产出具有同等水平优异力学性能的7075铝合金零部件。但现有的制浆技术无法制备出液相含量均匀且具有中等固相分数(约40%)的7075铝合金半固态浆料,这也限制了其进一步的发展和应用。本文针对高强铝合金7075,提出一种新型半固态流变制浆技术并完成装置设计,主要成果如下:(1)采用差示扫描量热法与数值模拟法获得不同降温速率下7075铝合金的液相线温度、固相线温度及液相分数对温度的敏感系数等参数,并与铝硅系319s合金对比。结果显示7075铝合金的半固态温度区间随降温速率增加而增加。当降温速率为120℃/min时,7075铝合金半固态温度区间均大于150℃,大于319s铝合金的半固态温度区间。但7075铝合金的液相分数曲线不像319s铝合金一样在中等固相分数区间出现拐点。在较小的降温速率下(110℃/min),在中等固相分数温度区间,7075铝合金液相分数对温度的敏感性大于0.03℃-1。在实际制浆过程中,通常存在半固态浆料内外温度不均匀的情况,较高的液相分数对温度的敏感性加剧了液相分数的不均匀程度,使浆料性质不均匀,这是高强铝合金7075流变制浆的最大难题。(2)针对7075铝合金半固态浆料液相分数不均匀的问题,提出一种新型流变制浆方法——热焓补偿法,即在合金凝固过程中施加外场加热表层浆料,达到消除合金温度梯度、提高液相分数均匀性的目的。使用ANSYS Workbench软件模拟了热焓补偿法制备7075铝合金浆料过程中温度场变化情况,结果表明在无热焓补偿的制浆过程中浆料内部温差始终大于60℃,而通过热焓补偿法可将温差降低到6.8℃。当感应电流密度为30×106A/m2,频率为1kHz的交流电加热时长为4045s时能确保有足够的热焓补偿。热焓补偿足够时,在加热结束之前浆料温差会有升高的现象。(3)基于热焓补偿法,设计开发出一套半固态流变制浆装置,其主要部件包括感应电源、变压机柜、感应线圈、贯通式坩埚等。使用热焓补偿法能制备出温度均匀且具有中等固相分数的7075铝合金半固态浆料,在制浆过程中5s50s时间段使用加热功率为13.5kW,电流频率为1kHz的感应加热辅助制备浆料时,在57s浆料内部的温度为618.6±2.1℃。其中,浆料在径向与竖直方向上的最大温差分别为1.4℃与2.4℃。
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