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双金属复合材料是军工、航空航天、勘探、民用等领域急需的材料,也是近年来国家新材料发展规划的优先项目。采用直接水冷连续铸造法生产复合材料能够节约能源,降低生产费用以及提高生产效率。本文主要研究铸造工艺条件对4045/3003铝合金包覆铸锭的复合状态的影响,旨在获得界面清晰平直,无气孔和夹杂,界面结合强度较高且为冶金结合的复合铸锭。 本文首先通过商业软件Fluent建立一个数学模型,模拟复合铸锭包覆铸造过程的温度场以及凝固过程。本文以Φ130mm/Φ110mm和Φ122mm/Φ110mm两种尺寸的复合铸锭为研究对象,其外层是4045铝合金,内芯是3003铝合金。利用这个数学模型,研究了铸造速度、芯材液面高度、接触高度和包覆层厚度对包覆铸造过程中温度场的影响。根据计算结果,获得不同工艺参数下复合铸锭,观察和测定复合铸锭的宏观形貌、微观组织、界面附近的元素分布、硬度以及界面的结合强度,得到如下结论: (1)计算结果表明:随着铸造速度的增加、液面高度的降低、接触高度增加、包覆层厚度增加,支撑层外表面温度逐渐升高,界面扩散层厚度增加。基于复合状态判定准则确定的最优工艺为:铸造速度100mm/min;芯材液面高度30mm;接触高度40mm;包覆层厚度10mm。 (2)随着芯材液面降低、接触高度和包覆层厚度的增大,界面处合金元素发生明显扩散,扩散层厚度变大,实现了更好的冶金结合。 (3)随着铸造速度的增加,支撑层厚度变薄,支撑层外表面温度升高,扩散层厚度变大。当铸造速度为100mm/min时,结合界面有较宽的扩散层,且没有互熔,界面平直。结合强度测试结果表明:铸造速度为100mm/min时试样在3003铝合金处发生断裂,抗拉强度为107.5MPa,抗剪切强度达到83MPa左右,略高于基体。 (4)通过计算和实验结果,确定出4045/3003铝合金包覆铸造过程的最佳工艺参数:铸造速度为100mm/min,液面高度为30mm,接触高度为40mm,包覆层厚度为10mm。