关键词：
半连续铸造
大规格铸锭
2219铝合金
均质化
电磁搅拌
摘要：
航空航天、轨道交通、武器装备等高端装备制造领域对高性能大型轻量化整体构件的迫切需求,对大规格高品质高强铝合金铸锭及其制备技术提出了更高的要求。但随着铸锭规格的增大,铸造过程中传热传质、动量传输等凝固行为更加复杂,铝合金铸锭中容易出现的组织粗大不均匀、宏观偏析等问题更加严重,难以在后续加工中消除,极大地影响了最终产品的综合性能。目前我国的高端铝材不得不依赖进口,严重制约着重大战略领域的自主发展。电磁半连续铸造技术虽在中小规格铝合金铸锭得到应用,但是大规格铸锭复杂多变的温度场与流场增大了控制均匀性的难度,凝固过程中电磁均质化调控机理还缺乏系统的认识。本文采用理论分析、数值模拟与实验研究相结合的研究方法,开展了电磁场下大规格2219铝合金铸锭半连续铸造中传热传质、熔体流动等凝固行为的研究,揭示出电磁场下大规格2219铝合金铸锭均质化调控机理,制备出φ880 mm细晶均质的2219铝合金铸锭,为解决大规格高强铝合金锭坯组织成分不均匀性的行业技术难题开辟了新途径。主要研究结果如下:(1)建立了电磁场、温度场和流场耦合的φ880 mm 2219铝合金铸锭半连续电磁搅拌铸造模型,考察了电磁感应器结构与尺寸等参数对熔体中电磁场、温度场和流场的影响规律。结果表明,电磁搅拌熔体处理器的外尺寸与冷却端形状是保证大体积熔体生成剪切搅拌涡流并实现均匀凝固的关键要素,优化设计后的关键技术参数为:处理器外尺寸为φ350 mm,感应线圈为9组,冷却端为椭球形结构。在此基础上研制出适配于φ880 mm 2219铝合金铸锭用的电磁搅拌熔体处理器。(2)基于建立的多物理场耦合半连续电磁搅拌铸造模型,研究了铸造工艺参数(连铸速度、铸造温度与冷却强度)及电磁调控工艺参数(心部冷却强度、工作位置、电流强度与频率)对φ880 mm 2219铝合金铸锭电磁铸造过程温度场和流场的影响规律,拟合了液穴深度与工艺参数间的关系。研究表明,铸造速度是影响液穴深度的主要因素,心部冷却与工作位置等参数的合理匹配是控制熔体均匀温度场和熔体流动形态的关键,优化出最佳的工艺参数:连铸速度0.00036 m/s,铸造温度700±5℃,冷却水流量为26 m3/h,电磁搅拌熔体处理器的心部冷却强度为400 W/(m2·℃),工作位置为0 mm,频率为10-20 Hz,电流强度为2000-4000 At。(3)开展了 φ880 mm 2219铝合金铸锭电磁搅拌铸造实验研究,研究了不同工艺参数对大规格铝合金铸锭微观组织及宏观偏析程度的影响。研究表明,相较于常规铸造,电磁搅拌铸造能有效提高半连铸过程中熔体温度场的均匀性,液穴深度由480 mm减小到380 mm,减少了 20.8%;铸锭组织明显细化,心部组织由粗大树枝晶转变为细小的蔷薇状晶,心部组织的平均晶粒尺寸从常规铸造892μm减小到203μm;组织均匀性良好,电磁铸锭的低倍晶粒度优于2级;第二相尺寸减小且分布更均匀,铸锭心部第二相的面积分数由常规铸锭的9.13%减小到7.26%,减小了20.48%;宏观偏析程度减轻,心部Cu元素的相对偏析由常规铸锭的5.64%变为-2.12%。铸锭力学性能显著提高,边部、1/2半径和心部抗拉强度分别为166.26 MPa、159.32 MPa和 160.21 MPa,分别提升了 2.5%,16.5%与 56.5%。(4)开展了采用φ880 mm 2219铝合金电磁铸锭制备φ7.3 m环件的应用研究。结果显示环件切向、轴向、径向的抗拉强度分别为473.25 MPa、458.5 MPa、468.25 MPa,屈服强度分别为365.25 MPa、342 MPa、349.5 MPa,伸长率分别为13.86%、9.63%、12.13%。环件的综合性能明显优于AMS-4144F标准,且力学性能一致性较好,无明显各向异性。(5)揭示了电磁搅拌熔体处理对铸锭组织细化均匀化的作用机理。电磁搅拌熔体处理对体积吉布斯自由能差与界面能的影响较小,改变凝固过程中非均质形核的热力学和动力学条件是铸锭组织细化均匀化的主要原因。强制电磁搅拌决定性地实现了大体积熔体快速均匀过冷,有利于大体积熔体的爆发式形核;同时冷却端产生的大量细小的浮游晶在迅速弥散至熔体中,增加了非均质形核的衬底;此外,凝固前沿成分过冷减轻有助于抑制树枝晶的生长。(6)阐明了电磁搅拌熔体处理改善大规格铸锭偏析的作用机理。电磁搅拌铸锭组织的细化、均匀化、非枝晶化在一定程度上减轻了铸锭的微观偏析,而熔体流动形态的精确控制是改善大规格铸锭宏观偏析的决定性因素。熔体强制对流所产生的均匀温度、成分场和剪切搅拌涡流场改变了凝固前沿富集溶质的熔体由铸锭边部向心部流动的热溶质对流模式,同时冷却端产生的浮游晶有助于降低心部组织的溶质含量。过大的心部冷却强度或过低的工作位置会带来大量浮游晶的严重沉降甚
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