高硅铝合金半固态浆料复合制备及其流变成形关键基础研究

High silicon aluminum is an ideal material for the manufacture of heat resistant and wear resistant parts, and it has a good application prospect in the automotive industry. But under normal casting conditions, the coarse primary silicon phases severely degrade the mechanical properties of the alloy, which limits its industrial applications. This study proposes to prepare semisolid slurry of high silicon aluminum alloy via composite processing of traditional chemical modification and rotational barrel stirring, and form the slurry by rheological die casting, in order to further refine the primary silicon phases, and improve the mechanical properties of the alloy. Based on the above idea, Al-20Si aluminum alloy will be studied in this project, and the basic research on preparation of semisolid slurry of high silicon aluminum alloy via composite processing and its rheoforming are investigated. Ascertain the interaction mechanism of chemical modification and rotational barrel stirring on the nucleation and growth of primary silicon in semisolid slurry. Establish the internal relations between composite processing parameters and microstructures of semisolid slurry. Reveal the solidification behavior of semisolid slurry of high silicon aluminum alloy during rheological die casting process. Optimize rheological die casting process of the high silicon aluminum alloy. The results are expected to provide theoretical and experimental reference for the development and application of composite processing in semisolid slurry preparation and rheoforming process of high silicon aluminum alloy, and promote the industrialization process of high silicon aluminum alloy in China.

高硅铝合金是制造耐热耐磨零件的理想材料，在汽车行业具有良好的应用前景，但是，常规铸造条件下，组织中粗大的初生硅严重降低了合金的力学性能，限制了其在工业上的广泛应用。本项目提出在传统化学变质处理基础上，采用滚筒搅拌法复合制备高硅铝合金半固态浆料，并对其进行流变压铸成形，从而实现初生硅的进一步稳定细化，提高合金力学性能。基于此，本项目以Al-20Si铝合金为研究对象，针对复合处理制备高硅铝合金半固态浆料及其流变成形展开应用基础研究，探明化学变质/滚筒搅拌对半固态浆料中初生硅形核与长大的交互作用机理；建立复合处理工艺参数和半固态浆料组织结构之间的内在联系；揭示高硅铝合金半固态浆料在流变压铸过程中的凝固行为；优化高硅铝合金流变压铸成形工艺。研究结果可望为高硅铝合金复合处理制浆以及流变成形技术的开发和应用提供理论及实验依据，推动我国高硅铝合金的产业化进程。

为了解决高硅铝合金中初生硅细化的难题，本项目提出了在传统化学变质处理基础上，采用滚筒搅拌法复合制备高硅铝合金半固态浆料、并对其进行流变压铸成形的方法，对高硅铝合金半固态浆料及其流变成形展开应用基础研究。开发了一套滚筒搅拌制备半固态合金浆料装置，系统研究了变质剂种类（RE、P）、搅拌速度和浇注温度等工艺参数对Al-20Si高硅铝合金半固态浆料组织的影响。利用Flow-3D软件对Al-20Si合金熔体在机械滚筒中的流场、温度场、浓度场进行模拟，建立了合金熔体在滚筒搅拌过程中的传热传质模型。探明了变质剂（RE、P）与滚筒搅拌复合处理对高硅铝合金半固态浆料中初生硅形核与长大的交互作用机理，发现RE元素不仅可以变质共晶硅相，在机械搅拌场下还对初生硅产生了明显细化作用；P变质复合处理制浆过程中初生硅细化主要是由AlP颗粒形成、滚筒搅拌激冷和自搅拌作用造成的，主要通过促进初生硅形核、控制生长实现的。与传统液态压铸比较，研究了高硅铝合金流变压铸后的微观组织和力学性能，获得了优化的成形工艺参数，揭示了高硅铝合金半固态浆料在流变压铸过程中的凝固行为。将变质与滚筒搅拌复合处理技术应用于商用A390过共晶铝硅合金中，使其组织中初生硅相进一步细化，铸件强度和延伸率大幅增加，获得了提高高硅铝合金力学性能的有效技术途径。圆满完成了计划书中的研究内容，达到了预期目标。研究结果可望为高硅铝合金复合处理制浆及其流变成形技术的开发和应用提供理论及实验依据，推动我国高硅铝合金的产业化进程。发表了标注有本项目号的SCI论文14篇；申请发明专利4项，其中，已授权2项；培养硕士生2名和博士生1名。