（工程热物理专业论文）半固态镁合金流变铸轧试验研究及热场模拟.pdf

一j 摘要 摘要 镁合金半固态流变铸轧技术不同于传统意义上的铸轧工艺，它集制浆、铸 轧、成形于一体，在缩短加工流程降低生产成本的同时，大大扩展了镁合金板 材加工的范围并提高了质量。由于半固态镁合金的独特性质，其半固态制浆及 铸轧、冷却过程中的温度场及流场分布，直接影响到半固态组织的形成，进而 影响到所制取的板材的质量，因此，研究半固态镁合金流变铸轧过程中制浆、 铸轧以及板材冷却过程中温度的影响，具有十分重要的意义。数值模拟技术， 为制造工艺的发展起到了巨大的促进作用。它通过优化流变铸轧工艺参数，来 选择最合适的制备条件，降低生产成本。数值模拟技术以材料物性参数及边界 条件的处理为直接依据，其模拟结果的准确性和可靠性对制造工艺的改进起着 重要的参考作用。 本文以自行研制的半固态流变铸轧设备为基础，通过传热学、流体力学和 材料科学的基本原理，利用a n s y s 软件，对半固态镁合金铸轧及板材冷却过程 进行了模拟和试验分析，完成的主要工作如下： 1 ) 对铸轧区建立了流场和温度场模型，利用a n s y s f l o t r a n 软件对该模型 进行分析；数值仿真了工艺参数熔体浇铸温度( 6 3 2 、6 2 4 、6 2 0 ) 、轧 辊导热系数( 1 0 0 0 0 w m - 2 、7 5 0 0 w m - 2 d ) 、铸轧速度对熔体温度场分 布的影响，熔体到达全凝固点铸轧时间在0 3 6 s 0 4 6 s 之间变化； 。 2 ) 对试验得到的板材凝固过程进行分析，通过对比不同冷却速率( 水冷和空冷) 一 发现水冷可以提高镁合金板带硬度； 3 ) 研究时效处理对板材性能的影响，t 4 热处理后板带硬度有所下降而固溶处 理后板带表观硬度提高，峰值可达到8 0 h b w 。 4 ) 适当的降低浇铸温度可以提高板带的硬度，当浇铸温度从6 3 9 降至6 2 3 时从5 7 h b w 升至7 2 h b w 。 关键词：半固态；镁合金；数值模拟；温度场 a b s t r a c t a b s t r a c t r h e o c a s t i n g - r o l l i n gt e c h n o l o g yo fs e m i - - s o l i dm a g n e s i u ma l l o yi sd i f f e r e n tf r o m t h et r a d i t i o n a lc a s t i n gp r o c e s s i tc o m b i n e st h ep u l p i n g ，c a s t i n ga n dm o l d i n gi n t oo n e ， t h i ss h o r t e n st h et e c h n o l o g i c a lp r o c e s sa n dr e d u c e sp r o d u c t i o nc o s t sw h i l eg r e a t l y e x p a n d st h ep r o c e s s i n gr a n g ea n di m p r o v e st h eq u a l i t yo ft h em a g n e s i u ma l l o ys t r i p s a st h es e m i s o l i dm a g n e s i u ma l l o yh a sau n i q u en a t u r e ，d i s t r i b u t i o no fc o o l i n g t e m p e r a t u r ef i e l da n df l o wf i e l dd u r i n gp u l p i n g ，c a s t i n g a n dc o o l i n ga f f e c t st h e f o r m a t i o no fs e m i s o l i ds t r u c t u r ed i r e c t l y ，t h e r e b ya f f e c t i n gt h eq u a l i t yo ft h es t r i p s o b t a i n e d ，s oi ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c et os t u d yt h ei n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r eo fp u l p i n g ， c a s t i n ga n ds t r i p sc o o l i n gd u r i n gr h e o c a s t i n g - r o l l i n g n u m e r i c a l s i m u l a t i o nh a s p l a y e da ni m p o r t a n tr o l ei nt h ed e v e l o p m e n to fm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y i ti st o c h o o s et h em o s ts u i t a b l ep r o c e s s i n gc o n d i t i o n sa n dr e d u c ep r o d u c t i o nc o s tb y o p t i m i z i n gt h er h e o c a s t i n g - r o l l i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s t r e a t m e n to ft h em a t e r i a l p a r a m e t e r sa n db o u n d a r yc o n d i t i o n s a r e t h ef o u n d a t i o no fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t e c h n o l o g y ，a c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t yo f t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ei m p o r t a n tr e f e r e n c e s f o ri m p r o v e m e n to ft h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s i nt h i s p a p e r ，b a s e d o nt h es e l f - d e v e l o p e ds e m i - s o l i d r h e o c a s t i n g - r o l l i n g e q u i p m e n t ，t h eb a s i cp r i n c i p l e s o fh e a tt r a n s f e ra n dm a t e r i a ls c i e n c ew e r eu s e d ， s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a la n a l y s i so fr h e o c a s t i n g r o l l i n ga n ds t r i pc o o l i n gp r o c e s s w e r ed o n eu s i n gs o f t w a r ea n s y s ，t h em a i nw o r kc o m p l e t e da r ea sf o l l o w s ： 1 ) m o d e lo ft h ef l o wf i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l di nt h ec a s t i n ga r e aw e r ee s t a b l i s h e d ， a n a l y s i so ft h em o d e lw a sd o n eu s i n gs o f t w a r ea n s y s f l o t r a n ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o no ft e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nu n d e rt h ep a r a m e t e r ss u c ha sp o u r i n g t e m p e r a t u r e ( 6 3 2 ，6 2 4 ，6 2 0 ) ，r o l l e r s t h e r m a lc o n d u c t i v i t y ( 10 0 0 0 w m 2 、7 5 0 0 w m - 2 d ) ，a n dc a s t i n gs p e e dw e r ed o n e ，t h ef u l ls o l i d i f i c a t i o nt i m ei n r h e o c a s t i n g - r o l l i n gv a r i e sf r o m0 3 6 st o0 4 6 s 2 ) s o l i d i f i c a t i o np r o c e s s e so fs t r i p so b t a i n e di nt h ee x p e r i m e n t sw e r ea n a l y z e db y c o m p a r i n gt h ed i f f e r e n tc o o l i n gr a t e s ( w a t e ra n da i rc o o l i n g ) ，i tw a sf o u n dt h a t i i a b s t r a c t w a t e rc o o l i n gc a ni n c r e a s et h eh a r d n e s so ft h em a g n e s i u ma l l o ys t r i p s ； 3 ) e f f e c to fa g i n gt r e a t m e n to nt h es t r i p sw e r es t u d i e d ，s t r i ph a r d n e s sa f t e rh e a t t r e a t m e n tu n d e rt 4d e c r e a s e dal i t t l e ，b u tt h ea p p a r e n th a r d n e s so ft h es t r i p sa f t e r s o l u t i o nt r e a t m e n ti m p r o v e d ，t h ep e a kv a l u ec o u l dr e a c h8 0 h b w 4 ) a p p r o p r i a t e l yr e d u c et h ec a s t i n gt e m p e r a t u r ec a ni n c r e a s et h eh a r d n e s so fs t r i p ， w h e nt h ec a s t i n gt e m p e r a t u r ed e c r e a s e df r o m6 39 t o6 2 3 ，t h eh a r d n e s s r o s ef r o mt h e5 7 h b wt 0 7 2 h b w k e yw o r d s ：s e m i s o l i d ；m a g n e s i u ma l l o y ；s i m u l a t i o n ；t e m p e r a t u r ef i e l d 目录 目录 第1 章绪论1 1 1 镁合金研究背景及意义1 1 1 1 研究背景1 1 1 2 研究意义2 1 2 半固态加工工艺研究现状3 1 2 1 半固态制浆方法研究近况3 1 2 2 半固态组织性能的影响因素4 1 2 3 半固态镁合金热场和流场数值模拟现状7 1 3 有限元软件简介j 1 0 1 4 本文研究内容1 1 第2 章试验方法和设备。1 2 2 1 试验材料1 2 2 1 1 试验原材料1 2 2 1 2 熔炼保护材料1 2 2 1 3 变质剂1 4 2 1 4 保护剂1 4 2 2 试验设备1 4 2 3 试验过程1 8 2 3 1 熔炼流程：1 8 2 3 2 熔炼过程注意事项1 8 2 3 3 浆料制备及铸轧2 0 2 4 本章小结2 1 第3 章半固态镁合金流变铸轧试验研究2 2 3 1 冷却速度对半固态组织的影响2 2 3 1 1 半固态镁合金浆料的制备2 2 i v 目录 3 1 2 半固态铸轧试验相关设定2 3 3 1 3 冷却速度对半固态镁合金板带表面形态的影响2 3 3 1 4 冷却速度对板带内部显微组织的影响2 5 3 2 工艺参数对半固态镁合金硬度的影响2 7 3 2 1 浇铸温度对镁合金板带硬度的影响2 7 3 2 2 不同冷却方式后热处理对镁合金板带硬度的影响2 9 3 3 本章小结3 3 第4 章半固态镁合金a z 3 1 铸轧数值模拟3 4 4 1 铸轧区数值模拟的基本理论：3 4 4 1 1 传热的基本方式3 4 4 1 2 传热的边界条件3 5 4 1 3 传热模型的基本方式3 6 4 1 4 流场的边界条件3 7 4 2 传热模型中基本参数的处理3 7 4 2 1 凝固潜热3 7 4 2 2 传热过程数学模型；3 9 4 3 铸轧过程的数值模拟3 9 4 3 1 模拟初始条件与边界条件4 1 4 3 2 模型网格的划分4 1 4 3 3 材料物理性能参数4 2 4 3 4 镁合金铸轧温度场数值模拟4 3 4 3 5 镁合金铸轧区流场模拟4 8 4 4 模拟结果分析5 1 4 5 实验验证5 2 4 6 本章小结j 5 2 第5 章总结与展望5 3 致谢5 4 参考文献5 5 攻读学位期间的研究成果5 8 v 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 镁合金研究背景及意义 1 1 1 研究背景 镁在地球金属元素中位列第八，而我国镁合金储存量在全球排名第一。镁 的比重为1 7 4 9 c m 3 ，仅为铝的2 3 、钛的2 5 、钢的1 4 。而且镁合金具有一系 列的优点，如：比强度、比刚度高，导热导电性能好，电磁屏蔽性能强，其切 削加工性以及加工成本明显低于目前广泛使用的铝合金。 表1 1 常见工程合金材料物理性能 随着科技的进步，材料科学迅速发展，各国对材料的开发和应用都投入了 大量的人力和物力，特别是在自然环境日益恶化的今天，各国科学家都在不断 开发和研究新型绿色材料。镁合金作为目前最轻的新型绿色材料，成为继钢铁 和铝合金之后的第三类新型工程材料，在航空航天、军事装备、交通运输工业、 电子通信产业等相关领域被广泛应用【2 3 】，如表1 2 所示。 表1 2 世界汽车工业上镁合金压铸件应用的统计表 。 单位：千吨 地区1 9 9 11 9 9 21 9 9 31 9 9 41 9 9 51 9 9 61 9 9 71 9 9 8 1 9 9 92 0 0 0 年年年年年年 年 年 年年 北美 欧洲 日本 其它 6 8 2 2 2 o 1 6 6 6 6 7 8 5 2 6 1 2 2 4 7 3 我国工业化进程中，由于作为传统工程材料的钢铁需求日益激增，大量依 赖进口，因此西方铁矿石出口国家的垄断成了我国工业进程中的一个瓶颈，开 舟门o的埔圪良“6n 坞吼曩 巧8 4钉m & 曩 4 0 2l 曩曩 加4 o o 弱& 卫爱 卫4 8 o加豇l 曩 心4 4 9 & l 色 3 5 o 抱& l l f 5 第1 章绪论 发钢铁替代材料是国家发展不可避免的趋势。我国具有丰富的镁资源，大力开 发镁及其合金的应用，对国民生产建设具有不可估量的作用。 尽管我国镁资源十分丰富，当长期以来国内冶金企业主要着重于钢铁及铝 合金产业，对镁的开发利用还处于较低级的水平，很少有镁合金产品的应用， 主要作为初级原料出口海外。由于传统加工工艺的缺陷，生产的镁合金产品残 次率高，造成生产成本的增加，也严重制约了镁合金产品的开发和应用，这和 我国作为镁资源大国的地位是严重不相称的。 科技的发展带来了技术的革新，各种学科的不断交叉为工程材料的制备技 术带来了新的春天。近年来，材料成形工艺取得了巨大的进步，新的铸轧方法 不断显现，特别是随着半固态成形技术在金属加工领域的发展与成熟，为镁合 金产品的市场提供了新的途径，它不同于传统模铸，集制浆铸轧于一体，直接 得到近净成形的产品，大大缩短了生产流程，降低了生产成本。随着计算机技 术的在铸轧上面应用，推动了材料制造业的进一步发展。数值模拟技术帮助工 程技术人员对镁合金铸造工艺中的各种参数进行有效的分析，为产品生产最佳 工艺提供了有利参考，为技术革新和工艺优化指明了方向，缩短产品研究周期， 进一步降低了生产成本。目前各国都在加大对半固态镁合金制备技术的研究。 由于我国对镁合金的研究起步较晚，国内各科研院所和研究机构对镁的研 究还相对薄弱。目前国内的研究主要集中在对半固态镁合金浆料的制备技术以 及不同型号镁合金的性能方面。现有的数值模拟也主要集中在浆料制备方式对 半固态结晶组织的影响上，很少考虑到浆料制备过程中热场和温度场对组织的 影响，以及板材冷却方式对产品性能的影响。镁合金的热物理参数和铸轧方式 之间的联系也没有深入研究，由于镁合金半固态微观组织对温度的变化十分敏 感，了解浆料制备过程中的温度场特性，对于半固态镁合金加工具有十分重要 的意义。 1 1 2 研究意义 进入2 0 世纪以来，有限元分析技术的快速发展给金属材料研究带来了新的 方式。作为镁资源丰富的大国，开发新型镁合金工程材料，解决镁合金产品实 际生产应用中的技术难题，减少我国对国外原材料的依赖，保持社会持续协调 发展具有十分重要的意义。 2 第l 章绪论 作为材料加工领域的的新技术，半固态加工工艺采用近净成形技术不同于 传统意义上的铸轧，它直接由液态金属熔体浇铸加工成薄带，缩短了加工流程， 可广泛适用于具有液固两相区的金属材料加工。采用半固态加工技术，解决了 传统镁合金板带加工工艺成本高、产品质量低的障碍，使得镁合金产品替代铝 合金在汽车、航空和3 c 制造领域广泛应用成为可能1 4 j 。 半固态镁合金加工工艺由液态熔体直接铸轧成近终型板带，在流变铸轧过 程中存在着大量的热物理现象，而加工过程中材料的热物理特性和最终产品的 性能有着十分密切的关系。本文针对上述情况，对半固态镁合金流变铸轧中的 边界条件和热物理参数进行数值模拟分析，对板材的冷却方式进行试验研究， 这些工作对于镁合金半固态n i 技术中温度场的作用有着非常重要的意义。、 1 2 半固态加工工艺研究现状 1 2 - 1 半固态制浆方法研究近况 目前国内和国外许多研究机构和科研院所对半固态镁合金加工技术进行了 研究，在半固态浆料的制取以及铸轧工艺都取得了一定的成果。目前常见的半 固态制浆方法有： 1 ) 机械搅拌法 机械搅拌法是最早进行半固态浆料制取的方法，通过在金属凝固过程中对 熔体进行机械搅拌来破坏凝固过程中枝晶的产生来获得半固态组织。该方法中 搅拌器在高温下直接与熔体接触，容易造成熔体内部成分发生改变而产生污染， 搅拌过程中卷入熔体内部的气体也会和熔体发生化学反应，得到的板材质量较 差。 2 ) 斜槽法 又称冷却斜槽法，是由日本宇部株式会社研发的一种新工艺。通过将高于 液相线的液态合金浇入斜槽，在斜槽壁激冷作用下熔体凝固结晶，由于熔体的 冲击力使得结晶枝晶破碎脱离斜槽，并在流动过程中使晶粒球化，获得半固态 浆料。 3 ) 电磁搅拌法【5 】 该方法通过旋转磁场在金属液中产生感应电流，迫使金属液在磁场应力作 第1 章绪论 用下进行旋转运动来搅拌熔体。电磁搅拌法同机械搅拌法相比，对熔体的污染 小，生产率高，适用范围广，在搅拌过程中卷入的气体也大大减少，改方法所 涉及的工艺较为复杂，且成本较高。 4 ) 转管法【6 ，7 】 图1 1 转管法示意图 又称转动斜槽法，其原理图如图1 1 所示，是南昌大学杨湘杰等老师研发的 新型半固态制浆方法，通过旋转的斜槽管来制取半固态浆料，该方法主要工艺 特点为：制浆流程短、工序少、设备简单、低成本、可以通过改变工艺参数来 生产不同微观组织的半固态材料，且使用范围较为广泛。 1 - 2 2 半固态组织性能的影响因素 与传统铸轧相比，半固态镁合金流变铸轧从浇铸液态镁合金熔体到铸轧成 板材，在铸轧过程中熔体的热量通过斜槽或者轧辊传递出去。在铸轧及后处理 过程中，镁合金的热物理参数对最终得到的板材质量及微观组织有着显著影响。 1 2 2 1 冷却速度对半固态镁合金的影响 半金属材料在凝固过程中，从液相线到凝固点需要充分的破坏枝晶并孕育 半固态组织，冷却凝固速度的变化对半固态镁合金的组织影响很大。 李远东等【8 j 研究了不同冷却速率下a z 9 1 d 半固态镁合金组织性能的变化， 结果表明冷却速率加快有利于非平衡组织的细化，能提高材料的力学性能。甄 子胜【9 】等通过试验证明了在连续冷却条件下，降低冷却速率和增大剪切率可以使 半固态组织更加圆整从而减小半固态浆料的表观粘度。冷却速度的快慢对镁合 金组织中成分的形态也有着重要影响，陈和兴等【iu j 就对a z 9 1 - 0 4 5 s i 合金中 4 第1 章绪论 m 9 2 s i 形态与冷却速度之间的关系进行了研究，结果表明冷却速度越快，过冷度 和凝固速度也随之变大使得m 9 2 s i 相有充分时间长大。冷却速度的快慢对镁合 金中二次枝晶也有着重要影响【u 】，在较慢冷却速度下合金元素内部扩散均匀， 枝晶臂间呈不连续状，而当冷却速度较大时二次枝晶连续分布。赵美娟等【1z 】研 究了冷却速度快慢与枝晶偏析之间的关系，实验证明在缓慢凝固速度下a z 9 1 d 的枝晶偏析现象减轻。由此可以看出，目前对半固态冷却速度的研究主要是关 于微观组织的研究，对镁合金性能与冷却速度间关系的研究较少。 1 2 2 2 热处理对半固态镁合金组织性能的影响 热处理是金属材料加工领域的主要工艺之一，是将金属放在一定的介质中 加热到适宜的温度并保持一定时间后，以不同速度冷却的一种工艺。热处理工 艺一般不会对材料的整体化学成分和形状造成影响，只是通过改变材料内部的 微观结构来获得所需要的力学性能和机械性能。对于半固态镁合金来说，常见 的热处理工艺有固溶处理( t 4 ) 和时效处理( t 6 ) 0 1 ，l 引。 1 ) 固溶处理( t 4 ) 固溶处理是指将镁合金材料加工到较高温度( 在固相区间内) 恒温保持一 段时间，使镁合金中原子充分扩散，强化相充分溶解后快速冷却，来提高镁合 金的韧性。由于镁合金中原子扩散速度较慢，因此镁合金固溶处理需要时间较 长。 2 ) 时效处理( t 6 ) 时效处理就是在固溶处理后，将镁合金材料重新加热到一定温度进行人工 时效处理，时效处理可以提高镁合金的屈服强度。 对半固态a z 9 1 d 镁合金板材进行能谱分析发现，其微观组织主要由0 【m g 相和成网状分布1 3 - m g l 7 a 1 1 2 相组成1 1 4 】，国内外很多学者研究了热处理后镁合金 内部微观组织的变化。兰州理工大学马颖【1 5 j 等研究了不同固溶处理时间下 a z 9 1 d 镁合金组织变化，结果表明固溶处理时间5 h 后p 相完全分解。董文超【1 6 j 等人通过对a m 6 0 镁合金显微组织及力学性能进行研究，结果表明枝晶晶粒的 生长于过热度有关，过热度的降低则枝晶生长受到抑制，晶粒变细。 半固态镁合金热处理的目的是为了得到所需的非枝晶组织，李远东【1 7 】等人 研究了等温热处理工艺中a z 9 1 d 的微观组织演变。实验结果表明，经过等温热 处理后未变质处理和变质处理的a z 9 1 d 镁合金都能由枝晶组织转化为球状晶 第1 章绪论 体，只是未变质处理的镁合金等温转化时间较长。在等温处理过程中组织也会 发生一定的变化，未变质处理的镁合金由枝晶一块状晶粒一碎晶一球状长大， 变质处理的镁合金则由等轴晶块状晶粒一碎晶一球状长大。变质处理使球化速 度加快，晶粒也更加圆整细小。 中北大学李伟【1 8 】等利用工业压力机对a z 8 0 镁合金挤压成形并进行了t 6 热 处理。通过对实验取样进行组织分析，发现1 3 - m g i t a i l 2 相随着t 6 温度的升高而 增多，聚集在晶界处，a z s 0 镁合金的抗拉强度和屈服强度都随着t 6 温度的升 高先增后减，在1 7 0 时最大，因此t 6 时效温度的最佳范围为1 4 0 1 7 0 。c 。 张大华n 刚等研究了时效处理时间对新型z w 2 1 镁合金组织和力学性能的影 响。试样在5 2 5 4h 固溶处理后经2 5 0 c 时效处理，通过金相分析发现合金晶 内组织析出呈花瓣状织，力学性能有所提高；当时效处理时间延长至2 4h 时，合金 抗拉强度能达到的峰值为2 4 3 m p 钆伸长率达2 3 7 5 。 国内外学者对于热处理与镁合金组织性能的研究目前比较广泛，从内部微 观晶粒的形成原理到性能变化都做了大量深入研究，而系统的对不同冷却方式 制取的镁合金板带进行热处理研究则相对较少。 1 2 2 3 加工工艺对半固态合金材料组织性能的影响 半固态镁合金板材的组织性能在很大程度上取决于加工工艺，选择合适的 加工工艺对材料加工具有重要意义。 张颂阳等【2 0 ，2 1 1 对a z 9 1 d 镁合金进行了流变铸轧，研究了不同搅拌速率和铸 轧温度对镁合金组织形态的影响，在其实验条件下3 0 0 r m i n 中为最佳搅拌速度， 太慢则熔体剪切力太小，枝晶没有破裂；搅拌速度太快则增大了晶体碰撞粘合 几率。初生的固相颗粒分数则随铸轧温度升高而降低。 为了得到良好的半固态组织，使半固态晶体充分孕育球化，在铸轧前对镁 合金熔体在半固态区间温度内进行适当的静置。静置过程相当于减慢了浆料的 冷却速度，使得破碎的枝晶有充分的时间圆整化，形核的数量也会在一定程度 上增多，使组织细化。但是根据奥斯特瓦尔德熟化( o s t w a l d r i p e n i n g ) 的l s w 理论 1 2 z ，随着静置时间的增长，一些小的晶体组织有可能熔化，而一些大的晶体组 织则可能不断长大使组织粗化。 刘艳华1 6 j 采用倾斜管法制浆，研究了倾斜管倾角、浇注温度和管长对a 3 5 6 铝合金组织的影响，实验参数为倾角为4 5 。 - - 6 0 。，倾斜管长度为2 0 0 - - , 5 0 0 m m ， 6 第1 章绪论 浇注温度为6 2 0 - 6 6 0 。在试验参数范围内，若增加浇铸温度则需要适当增大 倾斜管的长度，这样才能获得较好的半固态微观组织。浇注温度对形核的形成 也有很大关系，南昌大学张莹【2 3 】研究了在5 9 0 ( 2 、5 7 5 1 2 、5 6 5 不同浇铸温度下 的a z 9 1 d 镁合金板带的微观组织，结果表明随着浇铸温度的降低，连续冷却条 件下半固态固相率从5 - 2 5 - - 3 5 逐渐提高。若浇铸温度过低，虽然固相率 会有所增加，但是熔体的粘度也会发生变化，流动性能不足，影响后续流变铸 轧加工过程的进行，因此最佳浇铸温度为5 6 5 。 华中科技大学李东南【2 4 】研究了半固态流变压铸成形与6 8 5 c 液态压铸成形 及其热处理后的性能变化，如表1 3 和表1 4 所示。从表中可以看到，采用半固态 流变压制所制得的金属式样性能要高于直接采用液态压铸的镁合金金属式样。 当经过热处理后，镁合金的力学性能得到进一步的提高。 表1 3 半固体流变压铸成形性能变化 综上所述，可以看出对半固态加工工艺的研究很多，但是主要集中在对微 观组织结构的影响上，对于半固态材料的机械性能研究并不是很多，开展这方 面的研究还有很大的意义。 1 2 3 半固态镁合金热场和流场数值模拟现状 计算机模拟技术从上世界四十年代开始应用于金属加工领域口5 之羽，具有一 系列优点，特别是对新工艺和新设备的设计具有十分重要的意义。采用数值模 拟技术，对需要解决的问题建立数学模型，在一定范围内对各种相关参数进行 模拟分析，研究参数变化对工艺等的影响，能够及早预测产品或方案可能出现 7 第l 章绪论 的优缺点，大大降低了生产风险，优化加工工艺。 对于镁合金流变连续铸轧来说，铸轧过程是一个极其复杂的传热数学模型， 存在着高温、相变等复杂过程，且) j i i 过程极短，金属熔体的凝固过程用肉眼 难以直接观察。在不同加工工艺的参数下，如温度、铸轧速度等对镁合金产品 的影响极大，因而建立镁合金流变铸轧数学模型，对铸轧过程进行数值模拟有 利于提高产品质量，减少试验次数，降低生产成本，促进镁合金的广泛应用。 根据美国科学研究院数据显示【2 1 l ：采用模拟技术后产品质量可提高5 1 5 倍，出 品率提高2 5 ，技术成本降低1 3 3 0 ，人工成本降低5 2 0 ，产品设计周 期可大幅缩短3 0 6 0 。 由于金属流变成形中固液态共存，不同于固体金属的本构关系，国内外大 量学者对镁合金加工过程中流体流动状态做了深入研究。j i a nz e n g a 啪1 等模拟了 i m e 的镁合金板带双辊铸轧过程，模拟区域如图1 2 所示。通过对铸轧区域建立 了三维紊流模型来模拟计算不同稳定流动状态下铸轧区域的流体流动结构。模 拟结果显示在铸轧浇铸区域有一个大的涡流，问在双轧辊铸轧区域则存在许多 小的涡流。随着铸轧速度的提高，辊对流体的剪切摩擦力增大初始糊状区域位 置向铸轧出口处移动。 i n t l 图1 2i m e 镁合金铸轧模拟示意图 m p e r e z l 等【3 0 1 模拟了在低固相率( + 网 丁 = q ( 4 8 ) 式中： 【豳为传导矩阵，包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数； 【c 】为比热矩阵，考虑系统内能的增加； 3 6 第4 章半固态镁合金a z 3 1 铸轧数值模拟 以为节点温度向量； r ) 为温度对时间的导数； q ) 为节点热流率向量，包含热生成。 4 1 4 流场的边界条件 为了确定需要分析的流体区域，在流场模拟过程中也需要添加适当的边界 条件。在流场入口处通常以速度作为边界条件来表示： u = c l ；v y = c 2 ；v = c 3 ； ( 4 - 9 ) c l 、c ：、c 3 一般为已知值或已知函数，在受迫流动的情况下还需在入1 3 处 添加一定的压力值。 在流体分析出口处，一般采用相对压力值作为边界条件，在自然流动条件 下常取出口相对压力值为o ，也可用具体压力值作为边界条件。 对于流固耦合，若接触界面为无滑移边界，则设接触界面上流体x ，y , z 三个 方向上流动速度分量均为0 。对于自由表面( v o f ) 来说，需要添加边界v f r c 载荷。 4 2 传热模型中基本参数的处理 4 2 1 凝固潜热 半固态镁合金在铸轧过程中存在着流动传热过程。在铸轧区镁合金熔体由 半固态固液共存到出口的凝固板材，会释放出大量的热量。除了由边界温差及 内部温差所引起的传热外，还存在着相变所引起的凝固潜热，即从液相到固相 凝固过程中所放出的热量。凝固潜热不同于一般的显热和传导，由于潜热的释 放会使半固态镁合金的温度保持在较高水平，明显降低镁合金熔体的冷却和凝 固速度，对铸轧区温度场有着重要的影响作用，因此不得不考虑。 常见的潜热处理方法有三种： 1 ) 温度回升法 在金属熔体凝固的初始阶段，由于固相不断增多，释放的潜热较大，弥补 3 7 第4 章半固态镁合金a z 3 1 铸轧数值模拟 了熔体与周围介质传热所引起的热量损失，使熔体温度在一定时间内基本保持 在熔点附近。温度回升法就是将潜热释放的热量用温度变化来表示，折算成温 度用来补偿传热所引起的温度下降，加入到温度计算中。该方法适用于熔点恒 定的纯金属或者共晶合金材料的潜热释放过程。 2 ) 等价比热容法 比热为单位质量的物体变化单位温度所吸收或者释放的热量。等价比热容 法是把潜热引起的比热容变化作为物体实际比热容的增加，两部分比热容相加 作为凝固过程的比热容，记为f 。= f + l o ，在实际计算中假设潜热均匀释放，则 l , 0 = l ( t l t s )( 4 1 0 ) t l 液相线温度 t s 固相线温度 该方法适用于处理结晶温度范围较宽的合金，能满足绝大多数铸造合金的要 求，被广泛应用。 3 ) 热焓法 热焓法通过定义材料的焓随温度的变化来考虑结晶潜热。其定义为： h = j 蚂( 丁) 刀 ( 4 - 1 1 ) 式中：日一材料的热焓； p 一材料的密度； c 。一材料的比热容，是温度t 的函数。 其原理如下图，假设某一温度点的焓值为零，通过插值法来求其他状态点 的焓值。该方法也适用于结晶温度范围较宽的合金。 - 1 oo o e r 她a l p y w t e m p e r a t u r e 图4 1 热焓法 第4 章半固态镁合金a z 3 l 铸轧数值模拟 通过对三种潜热处理方法对比可知：温度回升法原理简单，但是适用范围 小，在模拟过程中需要处理的文件也较多；热焓法引入了焓的计算，计算过程 复杂，因此本文中采用等价比热容法。 4 2 2 传热过程数学模型 在镁合金熔体铸轧过程中，取铸轧区域为控制体，在该控制体内流体可看 作开口系稳定流动，满足能量守恒方程，用公式表示为：【5 1 1 e 弧+ e n = e 嗽+ 8 w 她1 2 ) 单位时间内，由外部流入控制体的e 。和熔体凝固释放的潜热e 。之和等于流 出控制体的能量e 。，与推动功聊之和。 在铸轧区域中，存在着相变等复杂的凝固过程，热传导、对流和辐射三种 传热方式同时存在，考虑到辐射传热的作用十分有限，在模拟过程中可以忽略 不计，将控制体看成是指在传导和对流作用下的热传递，其应满足以下微分方 程： 伊( 署+ 叱罢+ b 等+ v z 署) = 昙i 署) + 导一多) + 丢( t 鼍) + 弓 伊【百+ 叱瓦+ b 面瓦j2 瓦卜瓦j + 瓦【b 万j + 瓦卜瓦j + g ( 4 1 3 ) 式中p 为密度；c 为比热；丁为温度；f 为时间；g 为单位体积热生成率； t ，七，七：为x ，y ，z 方向上的热传导率；匕，v ，1 ，：为x ，少，z 方向上的质量传输速度。 4 3 铸轧过程的数值模拟 本文中数值模拟主要是针对铸轧区内半固态镁合金熔体的温度场进行数值 模拟。铸轧区示意图如图4 2 所示。 3 9 第4 章半固态镁合金a z 3 1 铸轧数值模拟 图4 2 铸轧区示意图 铸轧区设备尺寸图如图4 3 所示。 图4 3 铸轧设备尺寸示意图 由于在实际铸轧过程中，铸轧区域的传热十分复杂，影响因素很多，建立 的模型不可能充分考虑各方面的因素影响，在不影响计算结果正确性的前提下， 本文做了一些假设： 1 ) 在铸轧过程中，铸轧区的传热过程仅考虑为传导和对流传热，不考虑辐射传 热对铸轧区温度的影响； 2 ) 整个铸轧区的流体看作不可压缩牛顿流体； 3 ) 在整个铸轧区间内，所有固态和液态镁合金均视为均匀一致的熔体； 4 ) 流体边界固定，即轧辊在受热情况下没有塑性变形； 5 ) 整个铸轧过程看作是持续无间接的，即铸轧区入口温度始终等于浇铸温度； 第4 章半固态镁合金a z 3 1 铸轧数值模拟 6 ) 忽略出口处板带带走的热量和宽度方向传播的热量，温度梯度和传热主要发 生在两辊间的铸轧方向上。 7 ) 由于在铸轧前对轧辊进行了一定的余热，环境的温度在预热板的作用下大约 为3 0 0 左右。 4 3 1 模拟初始条件与边界条件 在对铸轧过程进行数值模拟时，需要对求解区域设置初始条件和边界条件。 本文的模拟研究了不同浇铸温度( 6 3 2 、6 2 4 、6 2 0 ) 时参数对铸轧的影响。 在铸轧区入口处，始终浇入半固态浆料，入口处温度始终等于浇铸温度，作为 第一类边界条件。轧辊与熔体的接触边界主要发生对流传热，需要在边界上施 加一定的对流换热系数和温度，视为第三类边界条件。在铸轧区出口，不考虑 板带带走的热量，即不涉及铸轧区外的热传递过程，在分界面上可以看做热流 量为0 ，是第二类边界条件。 4 3 2 模型网格的划分 在进行数值模拟时，网格的划分对模拟结果的影响很大。网格太多，容易 造成计算的数据量较大，网格稀疏又容易造成计算结果精度不够。在温度梯度 较大的区域，要对网格进行细分来保证计算精度，在温度变化不大的区间可以 适当减少网格密度。 图4 4 铸轧区网格划分 4 1 第4 章半固态镁合金a z 3 l 铸轧数值模拟 4 3 3 材料物理性能参数 材料的物理性能参数直接影响着数值模拟的结果精度，特别是对于半固态 金属来说，材料的物性参数随温度的变化较大，在模拟前需要通过试验测出其 各不同温度下的物性参数。本文模拟中采用的是a z 3 1 镁合金，其液相线温度为 6 3 2 ，固相线5 6 6 ，试验材料成分如下： 表4 1a z 3 l 镁合金化学成分 由于在铸轧过程中存在着镁合金状态的变化，a z 3 1 的物性参数与温度的变 化有关，参考文献 4 8 , 4 9 】在铸轧区温度场模拟中的物性参数变化采用插值法得到， 如图4 5 一图4 7 所示。 。 ， l l ， f 。 l ， i 一， y oi 仰dg i l 口枷 00量400 t 蔓l 孵 图4 5 导热系数 4 2 第4 章半固态镁合金a z 3 l 铸轧数值模拟 娜3 s 0 04 1 0 06 0 0 4 1 0 0 7 0 0 b o o 啪 1 8 4 15 5 01 8 01 o t 聊 图4 6 比热 - 、 - h - 一- 、 、 、 、 l ”船口佃o4 1 4 1 08 0 0 d o2 4 1 0 j l d o5 4 1 07 3 0 z 姗 图4 7 密度 4 3 4 镁合金铸轧温度场数值模拟 本文采用有限元软件分析了a z 3 1 铸轧区温度场的分布，对不同浇铸温度和 不同导热系数下的铸轧区进行了数值模拟。( 图中单位为k ) 4 3 第4 章半固态镁合金a z 3 1 铸轧数值模拟 拍m 日正s i 田i 循 ：跹聪3 6 卵 曩辨臻劲 r 5 娴 j j 雹2 j 2 璺耐0 s 翻皇隧翰豳馨躜磁：0 缎；誓 燃盆；一 2 ：；：喜：，。 j ：j 二2e 哇e ie 善e ，5 ：e 5 ，：e e s ：。e e ：2 2 9 ：f 二 。5 图4 89 0 5 k ，1 0 0 0 0w m 时，铸轧区温度分布图 姐o 盛i o ，o o 1 0 j o 诏衄e ，o 鼻t o 鲁葛0 童o e 0 0 暑= 盘 鑫 o e 3 ，：0 04 口，j 盖2皇置托 1 工l e 图4 99 0 5 k ，1 0 0 0 0w m - 2 1 时，特殊节点温度曲线 a 线：铸轧区中心质点温度变化曲线 b 线：轧辊接触面质点温度变化曲线 a z 3 1 镁合金固相线温度为9 0 5 k ，液相线8 3 9 k ，图4 8 为浇铸温度为9 0 5 k ， 辊的导热系数为1 0 0 0 0w m - 2 以时铸轧区的温度分布图，黑色表示最低温度为 5 6 6 。c 即液相线的温度区域。从图中可以看到在o 3 6 s 时，轧辊最小缝位置中心 处温度已经降至8 3 9 k ，即镁合金熔体刚好凝固。在轧辊附近区域的镁合金熔体 温度也已经降至8 3 9 k 以下，形成一层薄薄的镁合金壳体，最终在出口位置形成 板带。在离轧辊及出口区域较远的位