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稀有金属 2016,40(08),776-783 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2016.08.006
Al2 Y/AZ91镁基复合材料流变成形数值模拟
黄文先 闫洪 黄碧浩
南昌大学机电工程学院材料加工工程系
井冈山大学建筑工程学院土木工程系
摘 要：
在前期Al2 Y/AZ91镁基复合材料流变性能的研究基础上,将建立的Al2 Y/AZ91镁基复合材料表观粘度模型导入模拟软件,对Al2 Y/AZ91镁基复合材料液态及半固态充型及凝固过程进行了模拟,对压力场、速度场、固相分布和成形过程的缺陷进行了分析,结果表明,液态充型压力分布比较紊乱,熔体的流态为紊流,在型腔中容易产生涡流现象,在凝固过程中,铸件内部的冷却速度不一致,后续凝固的涡流区域在凝固过程中得不到有效的金属液的补充,进而容易产生缩孔缩松。半固态充型过程熔体内部压力传递相对比较平稳,速度分布均匀,熔体的流态表现为层流,不会产生涡流,铸件内外凝固速度相差不大,在整个凝固过程中不容易产生缩孔缩松等缺陷。为了验证模拟结果的正确性,进行了复合材料的流变成形实验,由实验可知,流变成形铸件显微组织以球状晶为主,没有孔洞缺陷,铸件成形质量较好。实验结果与模拟结果较吻合。
关键词：
镁基复合材料 ;半固态 ;流变成形 ;数值模拟 ;
中图分类号： TB33;TG24
作者简介： 黄文先(1975-),男,江西南昌人,博士研究生,研究方向:镁基复合材料;E-mail:huangwenxianjgs@163.com;; 闫洪,教授;电话:0791-83968873;E-mail:yanhong_wh@163.com;
收稿日期： 2015-02-10
基金： 国家自然科学基金项目(51165032); 江西省研究生创新基金项目(355906310011)资助;
Numerical Simulation of Rheoforming of Al2 Y/AZ91 Magnesium Matrix Composites
Huang Wenxian Yan Hong Huang Bihao
Department of Materials Processing Engineering,School of Mechanical Electrical Engineering,Nanchang University
Department of Civil Engineering,School of Architectural Engineering,Jinggangshan University
Abstract：
Based on the previous study of the rheological properties of Al2 Y / AZ91 magnesium matrix composites,putting the Al2 Y /AZ91 magnesium matrix composites apparent viscosity model into the simulation software,the liquid and semi-solid filling and solidification process of Al2 Y / AZ91 magnesium matrix composites were simulated by simulation software. The pressure field,velocity field,solid distribution of solidification process and defects of forming process were analyzed. As the results showed,during the liquid filling process the distribution of pressure was inordinate,the melt flow was turbulent,and eddy current phenomenon was easy to produce in the mold cavity,due to the inconsistency of the internal cooling rate of the casting during the solidification process; the subsequent solidified eddy zone could not be filled effectively by metal liquid,and shrinkage cavity and porosity were produced during the solidification process. During the semi-solid filling process,the pressure transfer was relatively stable,the melt flow was laminar flow,velocity distribution was uniform,no eddy current phenomenon occurred,the solidification velocity of inside of casting had little difference from the solidification velocity of outside of casting,and no shrinkage cavity and porosity occurred during the solidification process. In order to verify the correctness of the simulation results,the rheological forming experiment was carried out. As the results showed,a large number of spherical grains were distributed in the microstructure of the rheological forming casting,and the casting quality was better with no cavity defect. The experimental results were in accordance with the simulation results.
Keyword：
magnesium matrix composites; semi-solid; rheoforming; numerical simulation;
Received： 2015-02-10
金属材料半固态成形是在半固态温度区间对材料进行成形的一项技术,与传统的成形工艺比较,半固态成形工艺具有许多优点,比如浆料粘度较高,成形过程平稳,可减少卷气,缺陷少,成形件为非枝晶组织,材料的力学性能较高,而且成形温度较低,可降低成形过程高温对模具的热冲击,延长模具寿命等优点
[1 ,2 ,3 ,4 ,5 ,6 ]
。
半固态成形技术主要有触变成形和流变成形两种,流变成形技术由于工艺流程短、设备简单、生产成本低、节能环保等优点,受到国内外学者的广泛关注,被认为是最具发展潜力的半固态成形工艺过程
[10 ,11 ]
。目前多采用计算机数值模拟技术对半固态浆料的充型凝固过程进行动态模拟
[12 ,13 ]
,整个工艺过程在电脑上清晰可见,能预测铸件的缩孔缩松等缺陷,在优化工艺过程、减少生产成本、控制产品质量等方面发挥重要作用。当前,对于镁合金材料的流变成形过程的数值模拟已经有了广泛的研究
[14 ,15 ,16 ,17 ]
,但对镁基复合材料的流变成形过程数值模拟的相关研究不充分。本文应用模拟软件研究平台,对超声法制备的Al2 Y/AZ91镁基复合材料的流变成形进行模拟,对镁基复合材料半固态充型过程进行分析讨论,对铸造缺陷进行分析预测。
1 模拟假设
由于镁基复合材料的半固态浆料的流变成形过程比较复杂,为了分析问题方便,对流变成形过程做了如下假设:(1)半固态浆料在外界压力作用下,流动性能良好,整个型腔能够充满。所以,半固态浆料在模拟过程中可被看作是连续不可压缩的金属流体,表观粘度能表征其流动特性。(2)固相颗粒在半固态浆料中的液相中均匀分布。在计算机模拟过程中可将半固态浆料视为均匀介质。(3)充填时间很短,通常在几到几十毫秒内完成,而且模具经过了预热处理,所以金属流体与外界的传热和导热量较少,浆料的温度可视为恒定,模拟过程中材料的流动过程为等温流动过程。
2 模拟所用的基本方程及参数
半固态浆料充型过程属于不可压缩流体非稳态流动过程,充型过程的流动属于层流,浆料流动控制方程如下:
(1)能量守恒方程:
式中:λ为导热系数;T为温度;x,y,z为坐标轴方向。
(2)动量方程:
式中:U,V,W为速度矢量在坐标系x,y,z方向上的分量;ρ为半固态浆料的流体密度;gx ,gy ,gz 为重力加速度;γ为运动粘度;t为时间;P为压力。
(3)质量守恒方程:
(4)体积函数方程:
式中F为液相体积分数。
(5)表观粘度模型:
本课题研究了Al2 Y/AZ91镁基复合材料的流变性能,建立了Al2 Y/AZ91镁基复合材料表观粘度模型,并将其导入模拟软件,其数学表达式为
[11 ]
:
式中ηmmc 为Al2 Y/AZ91镁基复合材料的表观粘度,fs 为固相分数,γ为剪切速率,fAl2Y 为镁基复合材料中Al2 Y增强相的体积分数。
设定环境温度为室温。液态充型参数:浇注温度650℃压射速度2.2 m·s-1 模具温度300℃;半固态充型参数:浇注温度575℃,压射速度2.2 m·s-1 ,模具温度300℃。图1是模拟件的结构图。
图1 模拟件结构图Fig.1 Drawing of cast component
3 模拟结果与讨论
3.1 充型过程压力场模拟
图2和3分别为熔体在液态及半固态下的充型过程压力场分布图。如图2所示,当在液态充型时,熔体从浇口浇入后,由于粘度较小,在外界压力和惯性力的作用下出现飞溅现象,见图2(a),熔体直接冲刷模具上侧型腔壁和下侧斜面型腔壁,然后向下侧流动,在下侧型腔侧壁面的阻挡下熔体向上侧型腔壁面及中间反射,见图2(b),由整个充型过程来看,充型过程压力分布较紊乱,而且还可以看到充型过程发生了卷气现象,当充型达到85%时,熔体将型腔封闭并形成了3股涡流,见图2(c),该涡流区一般容易出现铸造缺陷,从而使铸件质量降低。
而当半固态充型时,熔体从浇口浇入后,由于半固态浆料的粘度较大,浆料流动前沿较圆钝,浆料沿型腔由上到下逐渐扩展,直到整个型腔全部充满,整个充型过程进行得比较平稳,没有出现浆料飞溅的现象。由于在半固态浆料内部存在大量的固相,固相与固相之间产生摩擦力,同时,半固态浆料与铸型之间的摩擦力也随着浆料粘度的增大而增大,所以压力从浇口到浆料流动前沿逐渐降低,如图3所示,压力传递相对比较平稳,这有利于提高铸件的铸造质量。但半固态充型的压力比液态充型的压力要大些。
图2 压力分布(液态充型过程)Fig.2 Pressure distribution during liquid casting
(a)Filling with 30%;(b)Filling with 65%;(c)Filling with 85%;(d)Filling with 100%
图3 压力分布(半固态充型过程)Fig.3 Pressure distribution during semi-solid casting
(a)Filling with 35%;(b)Filling with 65%;(c)Filling with 85%;(d)Filling with 100%
3.2 充型过程速度场模拟
图4为熔体液态充型过程的速度分布,当熔体在液态充型时,熔体内部速度变化比较混乱,有涡流产生,熔体的流态为紊流。当在半固态条件下充型时,熔体内部速度分布较均匀,没有涡流出现,熔体呈层流流动,如图5所示。由流体力学可知,流体的流态与雷诺数有关,雷诺数越大,流体越趋于紊流,雷诺数越小,流体越趋于层流,而雷诺数与流体的粘度呈反比,所以,当熔体为液态时,粘度较小,雷诺数较大,流态为紊流,而紊流的显著特征为流体的速度大小和方向变化没有规律且变化幅度较大,容易产生涡流,而当熔体为半固态时,粘度较大,雷诺数较小,流态为层流,流线均匀分布。
3.3 凝固过程固相分布
图6为熔体在凝固过程中的固相分数变化情况,在液态充型时,固相分数在整个铸件内分布不均匀,由铸件外壁向内部逐渐减少,如图6(a)所示,当铸件外壁固相分数为1时,铸件内部部分区域(如图中箭头所指区域)固相分数只有68%左右,这主要是由于在液态充型时,熔体温度较高,熔体与模具壁面温差大,靠近壁面的熔体凝固速度大,而且,凝固放热后造成模具壁面温度迅速升高,从而使铸件内部的冷却速度减小,固相分数较低,这也造成了后续凝固的区域在凝固过程中得不到金属液的补充,进而容易产生缩孔缩松。
当在半固态充型时,固相分数在整个铸件内分布较均匀,铸件大部分固相分数达到1时,只有少部分还没有完全凝固,如图6(b)所示,图中箭头所指的区域固相分数也已经达到0.93左右,基本上完全凝固。这主要是由于半固态充型时熔体与模具温差减小,铸件内外凝固速度相差不大所致,所以在整个凝固过程中不容易产生缩孔缩松。
3.4 成形过程的缺陷分析
铸件的缺陷(液态与半固态两种条下)如图7所示。如图7(a)中箭头所示,当充型条件为液态,缺陷容易在铸件内部产生,该区域是产生缺陷概率最大的部位,而这一部位也是在充型过程中最容易产生涡流的部位(图2(b)和(c)),同时也是凝固过程固相分布分析中容易产生缺陷的部位(图6(a))。当半固态充型时,由于充型速度平稳,充型温度较低,这样大大减少了金属液卷气、夹杂的概率,在铸件内部没有出现缺陷(图7(b))。
图4 速度分布(液态充型)Fig.4 Velocity distribution during liquid casting
(a)Filling with 30%;(b)Filling with 65%;(c)Filling with 85%;(d)Filling with 100%
图5 速度分布(半固态充型)Fig.5 Velocity distribution during semi-solid casting
(a)Filling with 35%;(b)Filling with 65%;(c)Filling with 85%;(d)Filling with 100%
4 流变成形实验验证
为了验证模拟结果的正确性,进行了Al2 Y/AZ91镁基复合材料的成形实验,图8是在两种条件下(液态和半固态)成形的铸件光学金相显微组织。由图8可知,当在液态成形时,铸件显微组织以枝晶为主。在流变成形时,铸件显微组织以球状晶为主,球状晶晶粒尺寸较大,平均尺寸大约为100μm左右,主要是由于半固态浆料内部初晶在超声制浆完成后到成形前这段时间长大的缘故。而且在液态成形时,铸件显微组织中有少量孔洞缺陷,而流变成形时显微组织中并没有出现明显的孔洞。实验结果与模拟预测结果较吻合。
图6 固相分布(凝固过程)Fig.6 Distribution of solid fraction during solidification
(a)Liquid;(b)Semi-solid
图7 成形过程的缺陷分布图Fig.7 Distribution of defects during forming process
(a)Liquid;(b)Semi-solid
图8 在两种条件下(液态和半固态)成形的铸件光学金相显微组织Fig.8 Optical metallographic microstructures of casting under two kinds of casting conditions
(a)Liquid;(b)Semi-solid
5 结论
1.模拟了Al2 Y/AZ91镁基复合材料的流变成形,对液态充型进行研究分析,其压力分布比较紊乱,充型过程发生了卷气及涡流现象,降低了铸件质量。半固态充型过程压力传递相对比较平稳,有利于提高铸件的铸造质量。半固态充型的压力比液态充型的压力要大些。
2.材料在液态充型时,流态为紊流,速度变化杂乱无章,在型腔中容易产生涡流现象。在半固态充型时,流态表现为层流,充型过程平稳,速度分布均匀,不会产生涡流。
3.通过对凝固过程固相及缺陷分析可知,当液态成形时,铸件内部的冷却速度不一致,后续凝固的涡流区域在凝固过程中得不到有效的金属液的补充,进而容易产生缩孔缩松。而半固态成形时,熔体与模具温差较小,铸件内外凝固速度相差不大,而且充型速度平稳,所以在整个凝固过程中不容易产生缩孔缩松等现象。
4.通过成形对比实验可知,材料的流变成形铸件显微组织以球状晶为主,没有孔洞缺陷,铸件成形质量较好。实验结果与模拟预测结果较吻合。
参考文献
[1] Huang W X,Yan H.Preparation and theoretic study of semi-solid Al2Y/AZ91 magnesium matrix composites slurry by ultrasonic vibration[J].Journal of Rare Earths,2014,32(6):573.
[2] Mao W M,Zhen Z S,Chen H T.Microstructure of semi-solid AZ91D alloy solidified during electromagnetic stirring[J].Chinese Journal of Materials Research,2005,19(3):303.(毛卫民,甄子胜,陈洪涛.电磁搅拌对半固态AZ91D镁合金组织的影响[J].材料研究学报,2005,19(3):303.)
[3] Feng K,Huang X F,Ma Y,Yan F Y,Hao Y.Nondendritic microstructure evolution process and mechanism of ZA74 magnesium alloy[J].Chinese Journal of Nonferrous Metals,2013,23(3):635.(冯凯,黄晓锋,马颖,阎峰云,郝远.ZA74镁合金非枝晶组织的演变过程及机理[J].中国有色金属学报,2013,23(3):635.)
[4] Zhang X L,Ling X J,Li T J,Xie S S,Jin Y X.Agglomerating behavior of primary solid particles in magnesium alloy semi-solid slurry during electromagnetic stirring[J].Chinese Journal of Nonferrous Metals,2012,22(9):2448.(张小立,凌向军,李廷举,谢水生,金云学.电磁搅拌过程中镁合金半固态浆料初生相颗粒的团簇行为[J].中国有色金属学报,2012,22(9):2448.)
[5] Yan H,Rao Y S,He R.Morphological evolution of semi-solid Mg2Si/AM60 magnesiummatrix composite produced by ultrasonic vibration process[J].Journal of Materials Processing Technology,2014,214:612.
[6] Wu S S,LüS L,An P.Microstructure and property of rheocasting aluminum alloy made with indirect ultrasonic vibration process[J].Materials Letters,2012,73:150.
[7] Wu L B,Xiao H,Wang J,Lu D H,Zhou R F,Zhou R.Microstructure of semi-solid ZCu Sn10 copper alloy fabricated by SIMA process with cold-rolling and re-melting[J].Chinese Journal of Rare Metals,2015,39(3):214.(吴龙彪,肖寒,王佳,卢德宏,周荣锋,周荣.冷轧-重熔SIMA法制备半固态ZCu Sn10铜合金的组织研究[J].稀有金属,2015,39(3):214.)
[8] Zhong Z L,Zuo X Q,Dong X R,Xie X Y.Progress in semi-solid forming technology for high strength aluminum alloy[J].Materials Review,2013,10:122.(钟子龙,左孝青,董晓蓉,谢香云.高强铝合金半固态成形技术研究进展[J].材料导报,2013,10:122.)
[9] Peng J,Wang R C,Zhu X W,Peng C Q.Semi-solid extrusion forming of spray deposited Al-27%Si alloy[J].Chinese Journal of Nonferrous Metals,2014,24(4):905.(彭健,王日初,朱学卫,彭超群.喷射沉积Al-27%Si合金的半固态挤压成形[J].中国有色金属学报,2014,24(4):905.)
[10] Xiao Z H,Luo J R,Wu S S.Performance of semi-solid slurry produced by twin-screw stirring mixer and rheodiecsating process of AZ91D alloy[J].Journal of Wuhan University of Technology-Mater.Sci.Ed,2004,19(3):81.
[11] Zhang H Y,Bai L,Xing S M.Rheological filling behavior of low-alloy steel semi-solid melt in metal mold under external pressure[J].Special Casting&Nonferrous Alloys,2013,33(3):237.(张海英,白玲,邢书明.半固态低合金钢金属型加压流变充型能力研究[J].特种铸造及有色合金,2013,33(3):237.)
[12] Wang J J,Shang S Z,Lu G M,Zhang W N,Tang X L,Yu J G.Numerical simulation of semi-solid die-casting process of automobile aluminum alloy part[J].Chinese Journal of Nonferrous Metals,2012,22(4):1045.(王姣姣,尚淑珍,路贵民,张万宁,唐小玲,于建国.汽车用铝合金零件的半固态压铸数值模拟[J].中国有色金属学报,2012,22(4):1045.)
[13] Zhou B,Kang Y L,Zhu G M,Gao J Z,Qi M F,Zhang H H.Forced convection rheoforming process for preparation of 7075 aluminum alloy semi-solid slurry and its numerical simulation[J].Trans.Nonferrous Met.Soc.China,2014,24:1109.
[14] Yan H,Zhang W W,Hu Y,Zhang Q S,Hong J.Numerical simulation of AZ91D alloy automobile plug in pressure die casting process[J].Journal of Materials Processing Technology,2007,187/188:349.
[15] Zhen Z S,Mao W M,Yan S J,Cui C L,Zhao A M,Zhong X Y.Microstructure and rheological behavior of semi-solid state AZ91D alloy in continuously cooling process[J].Acta Metallurgica Sinica,2003,39(1):71.(甄子胜,毛卫民,闫时建,崔成林,赵爱民,钟雪友.连续冷却条件下半固态AZ91D镁合金组织及流变特性[J].金属学报,2003,39(1):71.)
[16] Li Q,Mao W M,Bai Y L,Xu H,Hou H Numerical simulation of thixo-diecasting filling of semi-solid AZ91D alloy[J].Journal of University of Science and Technology Beijing,2006,28(8):755.(李强,毛卫民,白月龙,徐宏,侯华.半固态AZ91D镁合金触变压铸充型过程的数值模拟[J].北京科技大学学报,2006,28(8):755.)
[17] Huang W X.Study on Fabricating and Rheoforming of in situ Synthesized Magnesium Matrix Composites by Ultrasonic Vibration[D].Nanchang:Nanchang University,2015.77.(黄文先.超声原位镁基复合材料制备及流变成形研究[D].南昌:南昌大学,2015.77.)
