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喷射沉积耐热铝合金管材挤压过程的数值模拟

来源期刊:中国有色金属学报2005年第12期

论文作者:谭敦强 黎文献 肖于德 唐建成 周浪 张迎元

文章页码:1992 - 1997

关键词:耐热铝合金; 非致密材料; 高温变形; 数值模拟;喷射沉积

Key words:heat-resistant aluminum alloy; porous material; high temperature deformation; numerical simulation; spray deposition

摘    要:采用DEFORM有限元软件研究了非致密大规格喷射沉积耐热铝合金管材挤压制备的外径为417 mm、 内径为340 mm管材的变形过程, 并模拟了挤压过程中应力场、应变场、 致密度以及挤压力的变化情况。 模拟结果表明: 挤压初期为压实阶段, 挤压力增加缓慢; 随着挤压过程的不断进行, 从挤压尾部到挤压头部, 管坯的致密度呈阶梯式增加,等效应变、 应力和应变速率的变化规律与致密度相类似; 在挤压变形区应变、 应力和应变速率变化剧烈; 挤压后的管材为致密材料, 最大挤压力为6.45×104 kN, 与实际挤压过程中挤压力和致密度相比较,计算机模拟结果与实验结果基本相符。

Abstract: The extrusion process of preparing pipe with external diameter of417 mm and inner diameter of 340 mm by spray deposition pipe of heat-resistant aluminum alloy through the finite element software DEFORM. The field of stress, strain, density and the extrusion force during extrusion process were analyzed. The results of numerical simulation show that the extrusion force increases laxly at first step of extrusion process. During the extrusion process, the distribution of density increases step by step from the end to the head of ingot, and the distributions rule of strain, stress and strain rate are similarity to that of density. In the field of extrusion distortion, the changes of strain, stress and strain rate are very sharply. The experimental pipe after extrusion is compact material, and the experimental maximum extrusion force is 6.45×104 kN. Compared the maximum of extrusion force with the density of extrusion pipe, the simulation results agree with the experiment results.



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文章编号: 1004-0609(2005)12-1992-06

喷射沉积耐热铝合金管材挤压过程的数值模拟

谭敦强1, 2, 黎文献2, 肖于德2, 唐建成1, 周 浪2, 张迎元3

(1. 南昌大学 材料科学与工程学院, 南昌 330047; 2. 中南大学 材料科学与工程学院, 长沙 410083;

3. 中国船舶总公司725所, 洛阳 315103)

摘 要: 采用DEFORM有限元软件研究了非致密大规格喷射沉积耐热铝合金管材挤压制备的外径为417mm、 内径为340mm管材的变形过程, 并模拟了挤压过程中应力场、 应变场、 致密度以及挤压力的变化情况。 模拟结果表明: 挤压初期为压实阶段, 挤压力增加缓慢; 随着挤压过程的不断进行, 从挤压尾部到挤压头部, 管坯的致密度呈阶梯式增加, 等效应变、 应力和应变速率的变化规律与致密度相类似; 在挤压变形区应变、 应力和应变速率变化剧烈; 挤压后的管材为致密材料, 最大挤压力为6.45×104 kN, 与实际挤压过程中挤压力和致密度相比较, 计算机模拟结果与实验结果基本相符。

关键词: 耐热铝合金; 非致密材料; 高温变形; 数值模拟; 喷射沉积 中图分类号: TG376

文献标识码: A

Numerical simulation of direct extrusion process for preparing spray deposition pipe of heat-resistant aluminium alloy

TAN Dun-qiang1, 2, LI Wen-xian2, XIAO Yu-de2, TANG Jian-cheng1,

ZHOU Lang2, ZHANG Ying-yuan3

(1. School of Materials Science and Engineering,

Nanchang University, Nanchang 330047, China;

2. School of Materials Science and Engineering,

Central South University, Changsha 410083, China;

3. 725 Institute of China Shipping Company, Nuoyang 315103, China)

Abstract: The extrusion process of preparing pipe with external diameter of 417mm and inner diameter of 340mm by spray deposition pipe of heat-resistant aluminum alloy through the finite element software DEFORM. The field of stress, strain, density and the extrusion force during extrusion process were analyzed. The results of numerical simulation show that the extrusion force increases laxly at first step of extrusion process. During the extrusion process, the distribution of density increases step by step from the end to the head of ingot, and the distributions rule of strain, stress and strain rate are similarity to that of density. In the field of extrusion distortion, the changes of strain, stress and strain rate are very sharply. The experimental pipe after extrusion is compact material, and the experimental maximum extrusion force is 6.45×104 kN. Compared the maximum of extrusion force with the density of extrusion pipe, the simulation results agree with the experiment results.

Key words: heat-resistant aluminum alloy; porous material; high temperature deformation; numerical simulation; spray deposition

                    

喷射沉积是制备大尺寸快速凝固材料常用的一种工艺, 但喷射沉积坯料中存在微孔, 颗粒之间、 颗粒与层界面之间均未达到完全的冶金结合, 直接使用性能较差, 因此必须对沉积坯料进行有效的热加工使其致密化。 同样, 喷射沉积Al-Fe-V-Si耐热铝合金的致密化是制备大规格结构件的关键也是难点[1-3]。 一方面, 在具体操作时需尽可能地选择较低的成型温度和较短的加热时间来维持快速凝固的组织优势; 另一方面, 要求成型时喷射沉积锭坯能够得到充分变形, 同时在剪切应力下产生足够的剪切变形来实现完美的冶金结合, 确保非致密体完全致密化, 发挥快速凝固耐热铝合金的本征性能。

非致密材料内部还有大量的孔隙, 在塑性变形时具有体积可压缩性、 低拉伸塑性、 小横向流动及变形和致密不均匀等特点, 其变形规律较致密材料复杂[4-8]。 非致密材料的有限元模拟可以有效地揭示金属流动规律和致密规律[9-14]。 在对变形过程进行有限元分析时, 采用刚塑性和刚粘性有限元法[15, 16], 常将弹性变形忽略。 刚塑性有限元法不计材料弹性变形, 采用能量泛函数积分直接得到速度增量, 避开了几何非线性问题, 因而在计算中增量步长可取得较大, 计算量小且精度较高, 适合模拟复杂的大变形过程。 本文作者采用可压缩性的刚塑性有限元法进行实验数值模拟。

采用DEFORM有限元软件对正挤压出外径为417mm、 内径为340mm的管材进行数值模拟, 分析了挤压过程中应力场、 应变场、 致密度以及挤压力的变化情况, 为Al-Fe-V-Si合金的大型非致密工件生产提供有意义的参考。

1 实验

摩擦与润滑实验、 真应力与真应变的关系测量在Gleeble1500热模拟机上完成, 变形过程全部由计算机控制并自动采集实验数据。 将流变应力模型加入DEFORM有限元分析, 采用在给定的变形状态参数下的流变应力以数据点的形式输入计算程序, DEFORM有限元软件便根据所输入的数据自动插值计算。 将摩擦模型加入DEFORM有限元分析中是将在给定的变形状态参数下的摩擦因子以数据点的形式输入计算程序。 在进行热模拟计算时, 模角均为90°(平模挤压), 模口适当倒圆角, 其他参数列于表1中。

大规格喷射沉积坯合金成分为Al-(8.4%~8.7%)Fe-(1.1%~1.4%)V-(1.4%~1.7%)Si(质量分数), 初始致密度为90%。 挤压时采用了如下3个工艺措施: 沉积坯端头铣面, 软铝固体润滑, 包裹20mm厚铝板; 坯料装入挤压筒防止包套脱落或错位, 前后垫铝环加工厚度为10mm, 外径为650mm, 内径为360mm的铝环。 沉积坯在步进式加热炉中进行低温长时而高温短时的分级加热: 400℃, 6h[FY]450℃, 4h[FY]480℃, 2h。 挤压筒与坯料的加热温度相同; 挤压针、 模具和铝环的加热温度为380~400℃。

2 大规格Al-Fe-V-Si耐热铝合金挤压变形过程的数值模拟

2.1 工件在变形过程中的致密度变化

图1所示为喷射沉积管坯在正挤压变形过程中致密度的变化。 由图1可看出, 变形到20步时, 管坯大部分区域的致密度相同, 比初始致密度有所提高; 当变形到60步时, 管坯的头部部分区域致密度提高迅速, 在和挤压垫接触部分已形成挤压时的死区区域, 管坯尾部的致密度呈阶梯变化; 当变形到84步时, 管坯的致密度从尾部到头部逐渐变大, 形成明显的阶梯状分布, 在模口附近致密度变化剧烈; 当变形到142步时, 从尾部到头部管坯致密度的变化层次分明, 挤压出来的管材致密度达到0.9985, 已成为致密材料; 在挤压变形区的致密度没有太多变化。

表1 数值模拟和实验过程的基本参数

Table 1 Parameters of numerical simulation and experiment process

图1 挤压过程中致密度的变化(喷射沉积坯料初始致密度为90%)

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