大规格高强铝铜合金阵列超声波协同铸造的作用边界和调控机理

The large-scale ingots have significant application in aerospace and high-speed trains. However, some problems, i.e. cracking, coarsening and segregation, impede their downstream plastic processing. Regarding such challenges, we propose a novel “array ultrasonic-assisted casting technique”, and investigate its 3-D influence boundary and associated solidification mechanism, which provides insights to develop the ultra large-scale casting technique. Based on the large-scale high-strength 2219 Al-Cu alloy ingots, a series of tasks will be accomplished as follows:..(1) To obtain the optimum configuration and number of multiple ultrasonic-generators using mathematic modeling;..(2) To investigate the distribution, resonance, distortion and attenuation of the multiple coupling ultrasonic in the 3-D melt during solidification;..(3) To characterize the 3-D boundary of the ultrasonic-induced synergies effect, and to provide the way of attenuation compensation;..(4) To determine effects of the multiple coupling ultrasonic on the dynamic disturbance of both melt and temperature during solidification, and to calculate the threshold value for cracking;..(5) To elucidate the role of multiple coupling ultrasonic on the nucleation dynamics and growth kinetics of α-Al, θ-CuAl2 and other Mn-riched precipitates;..(6) To study the role of multiple coupling ultrasonic on the micro/macro segregation of Cu, Mn and Zr/Fe during solidification;..(7) To verify the proposed large-scale casting technique by solidification experiments and materials characterization.

航空航天及高铁用大规格铸锭铸造存在开裂、粗晶、偏析等问题，影响后续成形成性加工。针对该问题，提出阵列超声波协同铸造技术，本项目重点研究其空间作用边界和凝固调控机理。以圆柱形大规格2219高强铝铜合金铸锭为研究对象，建立不同布控形式的阵列超声波对铸造性能影响的数学模型，确定阵列超声波铸造系统的最优声波数量及空间布控方式；研究阵列超声波在“金属凝固三维空间”内的分布、谐振、畸变、衰减规律，计算协同效应的空间作用边界，建立应对畸变和衰减的补偿方法；研究阵列超声波对熔体流场和温度场的空间动态扰动，开展阵列超声波与铸锭热应力的耦合计算，求解大规格铸锭开裂的阈值条件；阐述阵列超声波协同效应在大规格铝铜合金内α-Al相、CuAl2强化相、富Mn杂质相的形核热力学、生长动力学机制，对主要合金元素Cu、Mn、Zr/Fe的宏微观偏析影响；实验验证最优声波数量及空间布控方式对大规格铸锭的性能提高。

针对航空航天及高铁用大规格铝合金铸锭凝固缺陷（开裂、粗晶、偏析等），本项目提出了阵列超声波协同铸造技术，重点研究了阵列超声波空间作用边界和凝固调控机理。研究团队首先对过去60多年以来金属凝固领域内Al、Mg、Ti、Fe、Cu、Zn等铸造金属及合金的晶粒细化进行了系统性的综述，揭示了以后研究铸造金属凝固的基本方向和核心要点，为聚焦大规格铝合金铸造做理论铺垫。通过对铸造用阵列超声波的不同布控方式分别建模仿真，研究工作获得了四阶阵列超声波耦合传导的本征三维声强分布、空化区域和声能密度，进而确定了最优超声波布控方式并研制了布控平台。基于中试规模铸造实验，研究工作测定了关键执行部件辐射杆在服役条件下的空化腐蚀行为与有效工作寿命，确立了阵列超声波协同效应对大规格铝铜合金内α-Al相、α-Al/CuAl2网状共晶、富Fe杂质相等组织演化的影响规律，以及对主要合金元素Cu的宏微观偏析调控作用，进一步表征了“超声铸造-多向锻造-固溶失效”连续成形制造过程中二次相CuAl2的遗传变化规律，及其对大规格铝合金构件力学性能的影响。研究项目最终明确了阵列超声、凝固过程和组织性能三者之间的对应关系；形成了大规格高强铝铜合金阵列超声波协同铸造的工艺方法，部分铸锭产品在航天与国防领域得到一定的应用；发表了SCI期刊学术论文10篇（其中JCR1区8篇/2区2篇）、国际会议论文1篇；参加了本研究领域内国际知名学术会议2次，并做学术报告；协助指导了2名博士研究生和4名硕士研究生进行毕业论文工作，同时正在指导5名本科生开展毕业设计；拓展了项目组与英国布鲁内尔先进凝固技术研究中心、澳大利亚昆士兰大学、西北有色金属研究院等研究团队之间的交流合作。此外，个别团队成员在项目执行期间获得了“欧盟政府玛丽居里学者”、“中国有色金属工业科学技术奖一等奖”等荣誉，并成功申请到国家自然科学基金面上项目、湖南省自然科学基金青年基金等研究项目。