简介概要

半固态金属加工工艺过程的模拟进展

来源期刊：稀有金属1999年第6期

论文作者：谢水生沈健石力开

关键词：半固态加工; 热传导; 流变铸造; 模拟;

摘要：论述了半固态金属加工技术,即流变铸造、二次加热与触变成形等工艺过程数值模拟技术的研究进展和现状.给出了各工艺过程的模拟实例,并对半固态金属加工过程模拟的发展进行了评价.

稀有金属 1999,(06),431-435 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.1999.06.008

半固态金属加工工艺过程的模拟进展

沈健谢水生石力开

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

摘要：

论述了半固态金属加工技术，即流变铸造、二次加热与触变成形等工艺过程数值模拟技术的研究进展和现状。给出了各工艺过程的模拟实例，并对半固态金属加工过程模拟的发展进行了评价。

关键词：

半固态加工;热传导;流变铸造;模拟;

中图分类号： TG249

作者简介：沈键, 男, 博士, 高级工程师; 联系地址: 北京新街口外大街2 号。;

收稿日期：1999-06-16

基金：国家８６３高技术资助;国家自然科学基金;

Simulation of Semi solid Metal Forming Processes

Abstract：

Abstract: The research on simulation of semi solid forming processes including rheocasting, partial remelting and thixoforming, was reviewed. The samples of simulation of the corresponding processes are introduced. Research tendencies on the subject are analyzed.

Keyword：

Semi solid metals forming, Heat transfer, Rheocasting, Simulation;

Received： 1999-06-16

自70年代初麻省理工学院的研究人员首次提出半固态金属成形 ^[1] 工艺以来, 半固态金属加工技术 (SSM) 研究得到国际上的普遍重视。该技术通常包括半固态锭坯的流变铸造、二次加热和触变成形等工艺过程。其中流变铸造技术是整个半成形技术的基础和关键, 工业上普遍采用电磁搅拌法 (MHD) ^[2,3] , 二次加热常采用感应加热方式, 应用较为广泛的触变成形工艺主要包括半固态压铸、触变模锻和挤压等。

半固态金属加工技术的成功应用取决于对锭坯电磁搅拌连续铸造、二次加热和后续压力下半固态材料触变成形等过程的有效控制 ^[4,5] 。采用计算机模拟技术, 研究流变铸造、二次加热和触变成形过程, 对工艺的优化、制品的组织性能控制有重要的作用。由于半固态金属成形是液固两相流动过程, 半固态合金具有一定的触变性, 其变形抗力不仅与固相体积分数和剪切速率有关, 还与时间有密切的关系。因此, 要求数值方法准确描述半固态材料变形本质。对此材料研究工作者进行了大量研究。

1 加工模拟的进展

1.1 流变铸造的模拟

流变铸造时, 合金熔体在凝固区经受电磁场等外力的强烈搅拌作用, 发生枝晶的折断和部分重熔, 半固态浆料粘度、质点流动、温度场变化等与常规半连铸过程相比均存在明显差异。

研究表明, 一定剪切速率下连续冷却的合金熔体的粘度η和剪切速率的关系通常可表述为 ^[6] :

式中f^*_s、 f_s分别为与冷却速率和剪切速率有关的临界固相分数和瞬时固相分数, , 其它各项参数均为经验常数。

Kattamis等 ^[7] 在研究Al-4.5Cu-1.5Mg合金稳态半固态连续铸造过程时, 根据搅拌过程中固相枝晶的伪塑性变形提出:

式中η_L是液相的表观粘度, 分别为等温搅拌开始时和稳态搅拌时的固相颗粒的等效直径, S_v₀, S_v分别为等温搅拌开始时和稳态搅拌时的固液相界面积, 与固相分数和剪切速率有关。

建立流变铸造过程中流体粘度与固相分数、剪切速率间的关系模型后, 可对流变铸造时的热场、流场和力场进行有效的模拟, 这是半固态加工工艺参数优化和过程控制的关键 ^[5] 。

法国Pichiney公司采用三相电机定子制成立式电磁搅拌器, 制备了Al-6Si-3Mg合金半固态铸坯, 并对该过程进行了有效的数值模拟, 合金熔体在电磁力作用下的流动速度场和电磁力力场模拟结果如图1所示 ^[8] 。模拟结果表明, 树枝状初生相之所以在电磁搅拌时转变成蔷薇状或球形结构, 主要是由于这些树枝晶在电磁力作用下流动到搅拌腔的高温区后, 部分枝晶出现重新熔断所致。

图1 Al-6SiCu3Mg合金熔体模拟电磁搅拌速度场和电磁场

(a) 速度场; (b) 电磁场

Dantzig等 ^[9] 提出了一个用于模拟电磁搅拌作用下半固态金属半连续流变铸过程时三维数学模型, 采用有限元法进行了流变铸时的电磁场、流场和热传导的模拟, 三维速度场和流场的模拟结果如图2所示。图中表明, 熔体经度方向流动速度比轴向铸造速度要大很多; 在速度场中电磁场呈高斯分布, 并在定子的中间面上达到最大值 (图2(a))。所有凝固颗粒的等效流动轨迹长度随铸造的进行而增加, 固相颗粒在凝固区的驻留时间也存在明显差异 (图2(b))。此外, 由于旋转电磁场的作用, 熔体速度场在轴向也存在明显差异。熔体中质点受离心力作用而从搅拌腔中心向外层流动, 这有利于获得较为粗大和理想的微观组织。

图2 电磁搅拌半连续流变铸造过程三维速度场和流场模拟

(a)速度场; (b) 流场

1.2 二次加热和部分重熔过程模拟

半固态金属触变成形前一般采用电磁感应加热锭坯以重新获得具有一定固相分数和触变性能的半固态组织。 Hirt等 ^[10] 利用修正贝塞尔方程求解感应电磁场, 考虑到铸锭表面的辐射和对流换热行为, 采用有限差分法计算圆柱坯感应加热过程中的温度场和液相体积分数, 计算结果与实验条件下的加热和熔化行为相吻合。

Gibson等 ^[11,12] 开发出一套用于模拟有限长度铸锭感应加热过程的多功能软件 —— SCEDDY, 可对感应二次加热过程中半固态材料内部温度变化进行可靠的模拟, 为制定工艺参数提供可靠的保证。特别是对高熔点材料进行感应加热时, 由于辐射散热加强, 圆锭径向温度梯度增大, 会导致固相体积分数和随后触变流动性能严重不均等一系列问题。这可通过降低合金表面辐射系数或在加热保温后期增大电流频率等予以解决。如对310不锈钢加热时, SCEDDY模拟结果表明, 铸锭两端不加保温套时, 轴向温差高达90℃, 而加保温套后可降至10℃以下, 模拟结果与实测结果完全符合, 参见图3。 Kapranos等 ^[13,14] 利用SCEDDY软件对半固态司特立合金 (Stellite) 的此类加热行为进行了很好的预测, 其部分模拟结果如图4所示。

图3 310不锈钢感应加热的SCEDDY模拟结果

(a) 无绝热帽; (b) 两端加绝热帽

1.3 触变成形过程模拟

半固态材料在压力作用下具有良好的流变性和填充性, 但变形过程非常复杂, 目前对触变成形过程的模拟研究大多在一些商业有限元或有限差分软件平台上进行。

Zavaliangos等 ^[15] 采用有限元法 (ABAQUS) 对半固态材料的流变行为进行了模拟。建立了半固态材料流变模型; 利用多孔材料的伪塑性模型确定固相和液相的流变行为, 导出固相和液相的连续性方程, 并模拟了Sn-15Pb合金模压时的变形行为以及铝合金不同摩擦条件和变形速率下压缩时的液相分数变化等。

图4 感应加热Stellite合金过程的温度场模拟结果

(a) 快速加热后; (b) 开始保温; (c) 保温结束; (d) 保温后在6 kHz下加热2 s

Wang等 ^[16] 将流动的半固态材料前沿的气体处理为具有低密度和动力学粘度但其运动学粘度与液体相同的“伪”气体, 采用满足Navier-Stokes方程和能量方程并考惯性的牛顿流体的模型对半固态Sn-15Pb合金在复杂薄壁型腔中的压铸和凝固行为进行了模拟。发现模拟结果和试验结果间吻合得相当好, 能很好地解释压铸件表面流线形成规律和固液相偏析行为。

Kapranos等 ^[17] 采用触变模型、常粘度模型和非牛顿流体模型, 在FLOW 3D软件平台上对A357铝合金的快速压缩变形压力变化进行了模拟, 并与实测压力-时间曲线进行比较。认为触变成形时半固态铝合金的粘度与应变速率和时间密切相关, 采用触变模型和常粘度模型计算时, 应力随时间变化规律与实验现象相吻合, 但压力大小比实验值要大3～4倍; 选用粘度与时间无关的非牛顿流体模型时, 应力值与实验值相差甚远, 而且固相体积分数越小, 这种差别越大; 而剪切速率增大则差别缩小。这说明非牛顿流体模型不能较好地描述半固态金属的触变行为。实验压力值比计算值偏小的主要原因与剪切应力下半固态材料中固相组织簇团的破碎有关。这时可以引入“屈服应力”的概念代替粘度的连续变化来解释试样变形初期的刚性下降现象 ^[17] 。

Barkhudarov等 ^[18] 建立了描述半固态浆料触变性的本构关系数学模型:

该模型考虑了浆料变形时粘度、剪切速率及迟滞时间对剪切应力的影响。采用FLOW 3D软件对Sn-15Pb合金的触变挤压成形行为进行了模拟, 发现剪切应力和迟滞时间密切相关, 后者在剪切速率低于100 s^-1时变化幅度很大。剪切速率和加速度越大, 应力滞回曲线面积越大; 剪切周期间前的停滞时间t_r增大, 导致初始粘度加大, 滞回环面积也增大, 图5所示为Sn-15Pb合金在不同停滞时间条件下的剪切应力和表观粘度模拟计算结果, 这与实验值基本相符。

Tims等 ^[19] 在ANSYS^TM平台上模拟了铝合金二次加热、锭坯夹持和压铸过程, 研究了压铸件绝热条件下固液相偏析时固相分数变化规律。所开发的S-WOLF软件可对半固态工件压铸过程中的应力、应变、固液相偏析和温度进行模拟计算。这一建立在ANSYS^TM平台上的接口软件可对不同压力、温度及工件几何形状条件下的半固态材料成形工艺进行优化设计。

Kang等 ^[20] 结合热传导和凝固现象, 建立了二维非稳态不可压缩Navier-Stokes方程。对具有30%固相分数的A356合金的压铸时不同注入方式和初始温度下的填充行为和温度分布进行了有限差分数值模拟, 部分模拟结果示于图6。结果表明, 柱塞速度直接影响填充方式。由于金属重力作用的影响, 低速压铸时接近模口处首先被填充, 高速时则底部和边角部位先被填充, 压铸速度对温度分布影响较小。由于采用带凸台的小的注入孔型压铸时, 压铸件内温度分布比大的直通孔压铸时更均匀, 减小了工件内的热缩缺陷, 从而有利于改善压铸件的力学性能。

图5 Sn-15wt%Pb合金剪切应力和表观粘度模拟计算结果

迟滞时间τ=0.5 s, t_r为停滞时间 (a) 剪应力ρ 1. t_r=30 min; 2. t_r=7.5 min; 3. t_r=2.0 min; 4. t_r=0.5 min; (b) 表观粘度η 1. t_r=30 min; 2. t_r=7.5 min; 3. t_r=2.0 min; 4. t_r=0.5 min

图6 A356合金充型过程中温度变化

固相分数: 30%; 压头速度: 60 mm/s; 模具温度: 350℃ (a) t=0.4 s; (b) t=0.81 s; (c) t=1.34 s

Gebelin等 ^[21] 采用FLUX EXPERT有限元软件研究了半固态Sn-Pb合金压缩、 Al-Si合金蠕变条件下的流变行为, 其中固相采用粘塑性模型, 液相流变则用Darcy法则予以描述。研究表明摩擦对半固态材料流动影响非常大, 而固液相分布的不均匀性则导致材料在变形时出现严重的固液偏析现象, 这对成形并获得均匀组织性能的制品是不利的。 Paredies等 ^[22] 采用稳态指数流动模型并用ProCast^TM软件对A356铝合金半固态压铸进行了分析, 认为半固态浆体与模腔间为无滑动边界时, 模拟结果不能解释压力变化行为和传热现象, 而考虑滑动后模拟结果和观测值相符。

高志强等 ^[23] 采用局部网格细化的Lagrange方法对半固态ZA12合金的触变铸造过程进行数值模拟。该方法可以精确地处理自由表面, 有效地跟踪流体质团变形历史, 方便地实现网格优化, 得到局部精确的物理图像, 并能处理较大的网格变形。计算值与试验结果吻合较好。

2 结束语

数值模拟技术应用于分析半固态金属成形工艺过程, 对于了解和分析加工工艺过程, 控制和优化工艺参数, 为流变铸造、二次加热和零部件的近净触变成形可起到有效的指导作用。目前对半固态材料二次加热和半熔化过程的模拟已经从一维发展到三维, 已经出现象SCEDDY这样较成熟的商业软件, 可以较成功地仿真加热和熔化过程。对触变成形或注射成形的应力场模拟与变形预测, 尽管大多采用商业有限元或有限差分软件进行模拟计算, 并且在一定程度上可以描述半固态材料在剪切应力作用下的流变行为, 但由于半固态合金的触变性能的特殊性, 某些研究结果尚不能完全解释变形过程中的一些现象, 如时间对粘度的影响等。今后的发展方向是考虑粘度随时间的变化关系、模具内的热交换与凝固过程等复杂现象等。