简介概要

喷射成形 Al-Fe-V-Si系耐热铝合金的数值模拟及组织分析

来源期刊：稀有金属2002年第2期

论文作者：朱宝宏张永安熊柏青石力开韦强

关键词：数值模拟; 喷射成形; Al-Fe-V-Si合金;

摘要：利用数值模拟方法模拟了在喷射成形 Al-Fe-V-Si 系耐热铝合金过程中雾化液滴的飞行状态及凝固行为,给出了不同尺寸雾化液滴的冷却速度和固相分数随飞行距离的变化规律,并对雾化颗粒的形貌组织进行了观察分析.在雾化颗粒中观察到了尺寸在 1～10μm 的第二相,能谱及 XRD 分析表明这种第二相为 Al12(Fe,V)3Si 相.

稀有金属 2002,(02),87-92 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2002.02.002

喷射成形Al-Fe-V-Si系耐热铝合金的数值模拟及组织分析

熊柏青张永安韦强石力开

北京有色金属研究总院,北京有色金属研究总院,北京有色金属研究总院,北京有色金属研究总院,北京有色金属研究总院北京100088 ,北京100088 ,北京100088 ,北京100088 ,北京100088

摘要：

利用数值模拟方法模拟了在喷射成形Al Fe V Si系耐热铝合金过程中雾化液滴的飞行状态及凝固行为 , 给出了不同尺寸雾化液滴的冷却速度和固相分数随飞行距离的变化规律 , 并对雾化颗粒的形貌组织进行了观察分析。在雾化颗粒中观察到了尺寸在 1～ 10 μm的第二相 , 能谱及XRD分析表明这种第二相为Al12 (Fe , V) 3 Si相

关键词：

数值模拟;喷射成形;AlFeVSi合金;

中图分类号： TG132.32

收稿日期：2001-08-28

基金：国家“973”计划“提高铝材质量基础研究”资助项目 (项目号 :G19990 6 490 5 3);

Computer Simulation and Microstructure Analysis of Al-Fe-V-Si Heat Resistance Alloy Produced by Spray Forming

Abstract：

Flying status and solidified behavior of Al Fe V Si heat resistance aluminum alloys produced by spray forming were studied by the computer simulation. The variation in cooling rate and solidified fraction in different size droplets with the axial distance from nozzle exit was described. The second phase with size varies from 1μm to 10μm was found in the atomization powders. The EDX and XRD analysis results show that the second phase is Al 12 (Fe, V) 3Si phase.

Keyword：

Computer simulation; Spray forming; Al Fe V Si alloys;

Received： 2001-08-28

快速凝固 Al-Fe-V-Si 系耐热铝合金具有优异的高温和室温力学性能、良好的热稳定性、低密度等特点, 在航空航天领域得到广泛应用 ^[1,2,3] 。该系合金的显微组织结构特征是在铝基体上弥散分布着大量细小的 Al₁₂ (Fe, V) ₃Si 相, 该相是 Al-Fe-V-Si 系耐热铝合金中主要的耐热强化相, 呈球形, 体心立方结构 ^[4,5] 。Muson ^[6] 和Skinner等 ^[7] 研究发现, 在三元合金 Al-Fe-Si 中加入钒元素可以提高立方相的稳定性, 即使在480℃ 下保温 100 h, 仍未发现耐热相的明显粗化 ^[7,8,9] , 表明该耐热相在高温下具有良好的稳定性。

目前人们使用的 Al-Fe-V-Si 合金大部分是采用快速凝固/粉末冶金 (RS/PM) 的方法获得的。从20世纪80年代后期, 人们开始探索采用喷射成形技术制备耐热铝合金, 并对合金的组织、性能进行了研究。

喷射成形技术是由英国 SWANSEA 大学的 Singer 教授于20世纪60年代末首先提出, 并在随后几十年内得到迅速发展的一项新型的快速凝固材料制坯技术 ^[10,11] 。喷射成形过程可以分为两个特有的阶段:第一阶段是雾化液滴的飞行并与雾化气体相互作用;第二阶段是雾化液滴撞击到收集器表面并逐渐积累生成具有一定形状的沉积坯件。研究液滴飞行阶段的凝固规律和组织演变, 有助于研究沉积坯件的凝固和组织形成规律, 进而探讨合金组织与性能之间的关系。

本文采用数值模拟和实验分析相结合的手段, 较系统地探讨了在喷射成形 Al-Fe-V-Si 系合金过程中, 雾化液滴的飞行状态、凝固行为及组织演变。

1 实验方法

实验合金成分为 Fe 8.7%, V 1.1%, Si 1.9% (质量分数) , 余量为Al。实验在北京有色金属研究总院自行研制的SF-200喷射成形中试设备上进行;采用双层非限制式气流雾化喷嘴, 雾化气体为氮气。具体实验参数为:气体压力0.6～0.9 MPa;实际喷射温度1000～1050℃;液滴飞行距离 400～500 mm;接收器旋转速度45 r/min;接收器下降速度2～3 mm/s;气/液比 3.0～4.5。

本实验在制备沉积坯件的同时, 收集过喷粉末, 在筛分机上进行筛分, 获得不同直径的雾化颗粒。颗粒的组织结构分析分别在 NEOPHOT-2 型光学显微镜、CAMBRIDGE-2 型扫描电镜和 PHILIPS X射线衍射仪上完成。

2 实验结果与讨论

2.1 液滴飞行阶段的计算机模拟

关于喷射成形工艺过程的物理模型已经有很多文献报道 ^{[12,13,14,15,16]} , 本研究在上述基础上建立雾化液滴飞行过程中的数学模型并编制模拟程序, 对合金的凝固过程进行了模拟。为了减少模拟计算的工作量, 认为不同大小的雾化液滴在相同的过冷度下开始凝固, 这与事实有所差别, 但可以给出雾化液滴的凝固规律, 从而为更细致的工作做一些探索。

合金的凝固过程及显微组织与合金和雾化气体的物理性能有很大关系。设定氮气的初始速度为 300 m/s, 初始温度为 25℃。有关氮气和合金的物理参数如表1 ^[17] 、表2所示。将这些物理参数输入到计算机内进行模拟, 便可以得到雾化液滴在飞行阶段的凝固规律。

表1 氮气的物理参数

Table 1 Physical properties of nitrogen

名称	数值
密度/kg·m^-3	1.142
粘度/m²·s^-1	1.56×10^-5
热导率/W·m^-1·K^-1	0.0262

表2 Al-8.7Fe-1.07V-1.92Si合金的各项物理参数

Table 2 Physical properties of Al-8.7Fe-1.07V-1.92Si alloy

名称	数值	出处
液滴密度 ρ_d/kg·m^-3	2400	[18]
熔化潜热 H_f0/J/kg^-1	3.97×10⁵	[16]
液态比热 C_pl/J/kg-1·℃^-1	903	[6]
固态比热 C_ps/J/kg^-1·℃^-1	1180	[16]
液相线温度 T_pl/℃	940	[16]
形核温度 T_pn/℃	800	[16]
导热系数 K_d/W·m^-1·℃^-1	95	[16]

图1～5是不同直径的液滴在过热100℃、有过冷的条件下随着飞行时间或者飞行距离的变化规律。

图1是雾化液滴温度随飞行距离的变化规律。由图可见, 雾化液滴温度达到形核温度以后, 有一个突然回升的现象, 这是因为雾化液滴开始凝固时释放出的热量在瞬时间内无法全部带走, 从而导致雾化液滴温度的升高。但是由于喷射成形过程中热量的散失很快, 所以雾化液滴的温度在随后的过程中迅速下降。

根据雾化液滴温度随飞行时间的变化曲线 (图2) 可以发现, 35μm的雾化液滴飞行 0.01 s 时, 温度已由 1040℃ 降至 84℃, 据此可以估算出液滴的平均冷却速度为 9.56×10⁴ K/s;同样可以估算直径为 100μm 的液滴的平均冷却速度为 2.55×10⁴ K/s, 直径为 175μm 的液滴的平均冷却速度为 1.87×10⁴ K/s, 考虑大尺寸颗粒在飞行 1000 mm 时仍未完全凝固, 因此该雾化液滴的平均冷却速度可能会比该值小。由此可见:喷射成形过程中雾化液滴的冷却速度在 10⁴ K/s 数量级;直径越小, 冷却速度越大, 完成凝固所需要的时间也短。

图1 雾化液滴温度随飞行距离的变化规律

Fig.1 Variation in temperature of different size droplets with axial distance from nozzle exit

图2 雾化液滴温度随飞行时间的变化规律平均冷却速率/K·s-1: 35μm-9.56×104;100μm-2.55×104;175μm-1.87×104

Fig.2 Variation in temperature of droplets with flight time

图3是雾化液滴的瞬时冷却速度和飞行距离的关系。由图可以发现, 雾化液滴在液态时的冷却速度是非常高的, 35μm 的雾化液滴的最初瞬时冷却速度可以达到 9.5×10⁵ K/s, 随后瞬时冷速急剧下降, 直至达到一个极小值1.2×10⁵ K/s, 而后又回升达到一个极大值2.7×10⁵ K/s, 此后液滴的冷却速度又开始降低。其他尺寸的液滴的变化趋势也是类似的, 但速度随着尺寸的增加明显降低。

图3 不同直径的液滴的冷却速度与飞行距离的关系

Fig.3 Variation in cooling rate of different size droplets with axial distance

雾化液滴瞬时冷却速度的这种变化规律是由液滴与雾化气体的相对速度变化规律决定的。根据雾化液滴在飞行中的热平衡方程及其由于温度降低而引起的热量散失可知:

dT/dt=ΔT/Δt=Q_g/ (mC_d) =hS (T_d-T_g) / (mC_d)

式中 Q_g—熔滴在飞行中热量的散失速率, W;

h—熔滴和气体之间的对流热传导系数, Wm^-2K^-1;

S—熔滴表面积, m²;

T_d—熔滴温度, ℃;

T_g—气体温度, ℃;

C_d—熔滴比热, J·kg^-1·K^-1;

m—熔滴质量, kg;

ΔT—在Δt时间间隔内熔滴的温度变化, ℃;

由此可见, 在雾化液滴的尺寸一定 (d值一定) 的情况下, 雾化液滴的瞬时冷却速度是h的函数, h又仅是雷诺系数R_e的函数, 而雷诺系数又是雾化液滴与气体的相对速度v_r的函数, 因此雾化液滴的瞬时冷却速度的变化规律与v_r的变化规律 (图4) 是一致的:当v_r达到极小值时, 瞬时冷速也达到极小值, 此后瞬时冷速随v_r的增大又开始增大。

图5是雾化液滴中的固相分数随飞行距离的变化规律。由图5可以发现, 随着雾化液滴直径的增加, 开始凝固所需要的飞行距离增大;直径越大, 完成凝固所需要的飞行距离越长。由图5还可以发现, 35μm 和 100 μm 尺寸的雾化颗粒在到达接收基盘 (400～500 mm) 时的状态分别为完全固态和半固态;175 μm 的雾化液滴在到达接收基盘时固相分数只有15.8%, 即使飞行1000 mm 的距离, 其固相分数也只有 84.5%。

图4 雾化液滴与气体的相对速度随飞行距离的变化规律

Fig.4 Variation in relative velocity of gas and different size droplets with axial distance

图5 雾化液滴中的固相分数随飞行距离的变化规律

Fig.5 Variation in solid fraction in different size droplets with axial distance

2.2 粉末颗粒的显微组织

图6是雾化颗粒的金相组织照片。由图6可以看出, 氮气雾化的颗粒形貌并不十分规则, 呈类球形。造成这种情形的原因除去非真空条件雾化外, 还有一点就是氮气的冷却能力高, 从导流管中流出的熔体被雾化为细小液滴后, 在极短的时间内就完成了雾化液滴外壳的凝固, 从而使得雾化液滴的球化进行不彻底, 在一定程度上保持了被气体“吹”出来的形貌, 呈类球形。

在图6 (c) 的边缘还可以观察到尺寸为十几微米的卫星颗粒。这是因为卫星颗粒的尺寸都很小, 根据模拟结果可知其冷却速度极高, 在短时间内即可完全凝固, 从而在粗大液滴未完全凝固前撞击到其表面上, 形成了“卫星颗粒”。

图6 不同直径雾化颗粒的金相照片 ×400 直径: (a) 35μm; (b) 100μm; (c) 175μm; (d) 175μm

Fig.6 Optical micrographs for different size atomization powders ×400

图7是雾化颗粒的扫描电镜照片。图7 (a) 、 (b) 是 30～45 μm 的雾化颗粒的背散射照片;图7 (c) 是 74～100μm 的雾化颗粒的背散射照片;图7 (d) 是100μm以上的雾化颗粒的二次电子像。

图7 不同尺寸的雾化颗粒的SEM照片 (a) 30～45μm (第二相多) ; (b) 30～45μm (第二相少) ; (c) 74～100μm; (d) ≥100μm

Fig.7 SEM micrograhps for different size atomization powders

在扫描电镜下, 尺寸细小的雾化颗粒分为两种:一种是存在大量直径约为1μm的第二相 (图7 (a) 中的亮点) 颗粒, 在这种雾化颗粒中第二相发生积聚;另一种是很少或者没有第二相的雾化颗粒 (图7 (b) ) , 在这种雾化颗粒中第二相数量很少, 尺寸细小而且弥散分布。这种状况很可能是由于合金成分不均匀而造成的。在大一点的雾化颗粒中也可以观察到这种第二相, 但尺寸比细小雾化颗粒中的第二相要大, 约为 3～5 μm, 而且形状趋于不规则 (见图7 (c) 中的亮点) 。在更粗大的雾化颗粒中可以发现第二相的尺寸有明显的增加, 达到10μm甚至更大, 而且形貌更加不规则, 类似菊花状 (图7 (d) ) 。

对雾化颗粒中的第二相 (图7中的亮点) 做能谱分析, 结果见表3。表3表明:尺寸在 100 μm 以下的颗粒中的第二相的成分十分相近, 根据其原子比推测为 Al₁₂ (Fe, V) ₃Si 相。该尺寸范围的粉末 XRD 分析结果 (图8 (B) (C) ) 也表明在颗粒中存在着立方结构的 α-AlFeSi相, 即 Al₁₂ (Fe, V) ₃Si 相。而对于 100μm 以上的颗粒来说, 第二相 (图7 (d) 中的亮点) 的成分与前两者相差较为明显, 由模拟结果 (图2、3) 可知, 大尺寸的雾化颗粒的冷却速度比细小的雾化颗粒低, 175 μm 的雾化液滴在飞行 1000 mm 时只有 84.5% 发生凝固, 所以 Fe, V, Si 等元素由于冷却速度的降低而导致在Al中的固溶度降低, 进而析出附着在第二相上, 使得第二相明显比细小颗粒中的第二相粗大 (图7 (d) ) , 但在XRD实验 (图8 (A) ) 中并没有发现新相, 结合能谱分析结果, 可以推断这些第二相仍为 Al₁₂ (Fe, V) ₃Si 相。