針對傳統(tǒng)徑流結(jié)構(gòu)石墨轉(zhuǎn)子熔煉的A356合金存在成分均勻性差的弊端，開發(fā)了一種新型混流結(jié)構(gòu)石墨轉(zhuǎn)子，通過Fluent仿真方法研究了不同轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速（350，450 r·min−1）和不同轉(zhuǎn)子底部與熔池底部的距離（軸流式葉輪直徑的1/4和1/2，即10,20 mm）下，該石墨轉(zhuǎn)子攪拌鋁液的流場特性，確定了最優(yōu)的熔煉工藝參數(shù)。采用該混流結(jié)構(gòu)石墨轉(zhuǎn)子制備A356合金鑄件，利用單因子方差統(tǒng)計分析法分析了元素分布均勻性，觀察其顯微組織，并與傳統(tǒng)徑流結(jié)構(gòu)石墨轉(zhuǎn)子熔煉得到的合金進(jìn)行對比。結(jié)果表明：當(dāng)轉(zhuǎn)子底部與熔池底部的距離為20mm、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為350r·min−1時，鋁液中產(chǎn)生漩渦，可有效地消除鋁液在熔池底部的沉積，并在熔池內(nèi)形成良性循環(huán)流動。采用混流結(jié)構(gòu)石墨轉(zhuǎn)子熔煉的鋁合金鑄件試樣間和試樣內(nèi)各元素含量位于顯著性水平α=0.05置信區(qū)間，無顯著差異，鑄件成分均勻；鑄件組織中共晶硅尺寸細(xì)小，球化顯著，未見長條狀共晶硅，共晶硅變質(zhì)充分，硅相在α-Al晶界處分布均勻。采用傳統(tǒng)徑流結(jié)構(gòu)石墨轉(zhuǎn)子熔煉得到的鋁合金鑄件成分不均勻，組織中存在長條狀共晶硅，共晶硅變質(zhì)不充分，硅相在α-Al晶界處分布不均勻。
01、研究背景
A356鑄造鋁合金具有密度小、強度高、流動性能好等優(yōu)點，廣泛用于汽車領(lǐng)域中輪轂、發(fā)動機殼體、連桿等零件的制造，以滿足輕量化環(huán)保的要求。熔煉工藝對鋁合金鑄件成分均勻性影響很大，為提高鑄錠質(zhì)量，從國外引入了多種鋁合金熔煉裝置，而在這些裝置中石墨轉(zhuǎn)子作為關(guān)鍵部件，起著非常重要的作用：一方面，氣體熔劑通過石墨轉(zhuǎn)子導(dǎo)入鋁熔池，破碎成細(xì)小氣泡并向四周分散；另一方面，攪拌鋁熔體使成分均勻分布。目前，國內(nèi)普遍采用徑流結(jié)構(gòu)石墨轉(zhuǎn)子熔煉A356合金，但是該結(jié)構(gòu)石墨轉(zhuǎn)子形成的軸向流動較弱，鋁熔體均勻分散效果較差，制備的鋁合金鑄錠成分偏析嚴(yán)重，不同批次鑄件的性能出現(xiàn)較大的波動，工藝穩(wěn)定性差。鋁合金鑄件成分的均勻性水平直接影響鋁合金零件的最終質(zhì)量，因此，迫切需要進(jìn)行新型石墨轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，以改善鑄件的成分均勻性。
針對熔煉裝置中傳統(tǒng)徑流結(jié)構(gòu)石墨轉(zhuǎn)子存在攪拌死角，導(dǎo)致不同批次鋁輪轂成分均勻性出現(xiàn)較大差異的問題，作者設(shè)計了一種新型混流結(jié)構(gòu)石墨轉(zhuǎn)子，并借助于流體力學(xué)理論對該新型石墨轉(zhuǎn)子的流場特性開展研究，確定了最優(yōu)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及位置參數(shù)；在此基礎(chǔ)上，采用混流結(jié)構(gòu)石墨轉(zhuǎn)子進(jìn)行了A356合金的熔煉試驗，研究了鋁合金鑄件各元素分布的均勻性，以期為新型石墨轉(zhuǎn)子的研制以及鋁合金熔煉工藝的深入研究提供試驗參考。
02、研究亮點
1、 新型石墨轉(zhuǎn)子的研發(fā)及工藝參數(shù)優(yōu)化
本章節(jié)重點介紹了新型混流結(jié)構(gòu)石墨轉(zhuǎn)子的研發(fā)及其工藝參數(shù)優(yōu)化。研發(fā)的新型轉(zhuǎn)子由兩個軸流式葉輪和一個徑流式葉輪組成，旨在解決傳統(tǒng)徑流結(jié)構(gòu)石墨轉(zhuǎn)子攪拌死角的問題。新型轉(zhuǎn)子通過優(yōu)化葉輪結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)置，提高了鋁液的升力和循環(huán)流動，從而實現(xiàn)成分均勻化。章節(jié)還詳細(xì)描述了采用ANSYS FLUENT軟件對熔池流場進(jìn)行模擬的過程，分析了不同工藝參數(shù)下鋁液的流速分布，最終確定優(yōu)選工藝參數(shù)為轉(zhuǎn)子底部與熔池底部距離為20mm，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為350r/min。
仿真得到2#工藝下鋁液的軸向截面速度分布 (x=0，y=0)
2 、試樣制備與試驗方法
本章節(jié)介紹了A356合金試樣的制備和試驗方法，包括使用立式電阻熔煉爐熔煉合金，使用兩種不同結(jié)構(gòu)的石墨轉(zhuǎn)子進(jìn)行試驗，以及變質(zhì)劑Al-10Sr的添加。試樣制備后，通過切割、加工獲得片狀試樣，并使用電感耦合高頻等離子體原子發(fā)射光譜儀和電子探針分析元素分布均勻性及微觀成分。同時，采用金相試樣和光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。
3 、試驗結(jié)果與討論
本章節(jié)主要討論了利用傳統(tǒng)徑流結(jié)構(gòu)石墨轉(zhuǎn)子和混流結(jié)構(gòu)石墨轉(zhuǎn)子熔煉A356合金的試驗結(jié)果。結(jié)果顯示兩種轉(zhuǎn)子熔煉的合金元素含量均符合規(guī)定范圍，但混流結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子熔煉的合金元素分布更均勻，無顯著差異。此外，混流結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子熔煉的合金顯微組織中未見長條狀共晶硅，共晶硅變質(zhì)更充分，且硅、鎂、鈦和鍶等元素在微觀上的分布更均勻。
采用不同結(jié)構(gòu)石墨轉(zhuǎn)子熔煉得到 A356 合金的元素線掃描位置和結(jié)果
03、研究結(jié)論
（1）由流體仿真得到當(dāng)轉(zhuǎn)子底部與熔池底部之間的距離為葉輪直徑1/2、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為350r · min−1時，開發(fā)的混流結(jié)構(gòu)石墨轉(zhuǎn)子可有效避免進(jìn)液區(qū)與出液區(qū)流場的互相干涉，鋁液在徑向、切向和軸向形成了良性立體循環(huán)流動。
（2）采用混流結(jié)構(gòu)石墨轉(zhuǎn)子熔煉的鋁合金鑄件試樣間和試樣內(nèi)各元素含量無顯著差異，鑄件成分均勻，而傳統(tǒng)徑流結(jié)構(gòu)石墨轉(zhuǎn)子熔煉得到的鋁合金鑄件試樣間和試樣內(nèi)各元素含量存在顯著差異，成分不均勻。
（3）采用混流結(jié)構(gòu)石墨轉(zhuǎn)子熔煉的鋁合金組織中共晶硅尺寸細(xì)小，球化顯著，未見長條狀共晶硅，共晶硅變質(zhì)更充分，硅相在α-Al晶界處分布均勻；而利用傳統(tǒng)徑流結(jié)構(gòu)石墨轉(zhuǎn)子熔煉得到的合金組織中則存在長條狀共晶硅，共晶硅變質(zhì)不充分，硅相在α-Al晶界處分布不均勻。
《機械工程材料》創(chuàng)刊于1977年，由上海材料研究所有限公司主辦，為中國機械工程學(xué)會材料分會會刊，是公開發(fā)行的有關(guān)工程材料的應(yīng)用類技術(shù)期刊，是中文核心期刊、中國科學(xué)技術(shù)論文統(tǒng)計源期刊、中國科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫（CSCD）來源期刊、RCCSE中國核心學(xué)術(shù)期刊、中國科技核心期刊，并被中國學(xué)術(shù)期刊綜合評價數(shù)據(jù)庫、《中國期刊網(wǎng)》、《中國學(xué)術(shù)期刊（光盤版）》、CA、SA和PЖ等收錄。榮獲“華東地區(qū)優(yōu)秀期刊獎”等榮譽稱號，入選《世界期刊影響力指數(shù)（WJCI）報告（2020科技版）》、“《機械工程領(lǐng)域高質(zhì)量科技期刊分級目錄（第二版）》T3級期刊”。報道范圍包括金屬材料、無機非金屬材料和有機高分子材料及其復(fù)合材料的研究和綜合述評；欄目包括綜述、試驗研究、材料性能及應(yīng)用、新材料及新工藝、物理模擬和數(shù)值模擬、納米材料、殘余應(yīng)力、材料基因組用數(shù)據(jù)庫和大數(shù)據(jù)技術(shù)、材料測試新技術(shù)、材料失效分析及預(yù)測、材料科技信息等。內(nèi)容涵蓋機械、冶金、電氣、航空航天、石油化工、儀器儀表、交通運輸、船舶海洋等所有涉及材料研究的工程技術(shù)?？晒┡c材料生產(chǎn)研究相關(guān)的企業(yè)、院校和研究單位的科研與技術(shù)人員、管理人員、師生等閱讀參考。
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