（工程热物理专业论文）半固态合金凝固过程中相变传热的研究.pdf

摘要 摘要 在合金板带坯的制备过程中，铸造技术和半固态加工技术相结合的工艺不 仅能使板坯加工性能良好，还具有高效，流程短等特点。因此深入研究合金半 固态相变传热机理，建立合适的半固态浆料相变传热模型，探索温度场与固相 率的关系，工艺条件对晶粒组织形态的影响，对发展半固态成形工艺，提高镁 合金板带的加工质量有着至关重要的意义。 本文章初步模拟了半固态合金凝固过程中的传热和流动行为。同时搭建了 半固态浆料对流传热实验平台，测量合金在不同工艺措施下的温度场分布，获 取不同温度场下的金相图。通过对金相图的图像处理，计算出该温度下的凝固 率和晶粒的形状特征尺度。阐明半固态锌合金的固相率，晶粒组织形态等特征 数分别与合金所在温度场之间关系。最终为探明半固态成形过程中热流场与晶 粒组织演化之问相互依赖相互影响的关系奠定基础。实验结果表明： 1 ) 圆柱形保温筒内合金，在同一半径处，高温差条件下所测量的温度值比低 温差条件下的温度值要小。即保温炉内外半径处温度差的改变，会影响其内部 所装载合金的温度场的相应变化。 2 ) 采用机械振动和机械搅拌等措施后，半固态合金内部的温度场分布趋于 均匀。且在冷却过程中，温度变化值趋于平缓，无急剧下降情况。 3 ) 在金相图处理方面：在利用金相法计算固相率的过程中，采用“高反差 黑白化 技术对图像进行处理，获得更加清晰的金相图，统计得出的固相率与 理论计算值相近，误差控制在5 以内。 4 ) 经过机械振动，机械搅拌等工艺措施后，金相图所显示的合金晶粒变小， 并且晶粒形状变得更加圆润，枝晶减少。 关键词：半固态；固相率；凝固传热；图像处理 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ec o m b i n a t i o no fs e m i s o l i dp r o c e s s i n ga n dc a s t i n gt e c h n o l o g y ，w h i c hw a s u s e di nt h e p r e p a r a t i o n o fm a g n e s i u ma l l o ys t r i pb l a n k ，n o to n l y h a dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fh i g he f f i c i e n c y ，s i m p l ep r o c e s s ，b u ta l s op r o v i d e dt h es l a bw i t h g o o dp r o c e s s i n gp r o p e r t i e s s oi tw a sv e r yi m p o r t a n tf o rt 1 1 ed e v e l o p m e n to fs e m i - s o l i df o r m i n gp r o c e s sa n d t h ei m p r o v e m e n to fp r o c e s s i n gq u a l i t yo na l l o ys t r i pt os t u d yt h eh e a tt r a n s f e r m e c h a n i s mo fs e m i s o l i dp h a s ec h a n g e ，t oe s t a b l i s has u i t a b l eh e a t - t r a n s f e rm o d e lo f s e m i s o l i ds l u r r y ，t oe x p l o r et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et e m p e r a t u r ef i e l da n dt h e s o l i df r a c t i o n ，a n dt ok n o wt h ei m p a c to fp r o c e s sc o n d i t i o n so ng r a i nm o r p h o l o g y t h i sa r t i c l eh a das i m p l ep r e l i m i n a r ys i m u l a t i o no nt h eh e a tt r a n s f e ra n df l o w b e h a v i o ro fs e m i s o l i dz i n ca l l o yc a s t i n gp r o c e s s i no r d e rt og e tt h ep h a s ed i a g r a m s u n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r ef i e l d ，p r o c e s sm e a s u r e sw eb u i kae x p e r i m e n t a lp l a t f o r m a b o u tt h eh e a tt r a n s f e ro fs e m i s o l i ds l u r r yt om e a s u r et h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no f t h ea l l o yu n d e rd i f f e r e n tp r o c e s s w ed e a l e dt h ec r y s t a lp h a s ew i t ht h ei m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yt oc a l c u l a t e t h es o l i df r a c t i o na n dt h ec h a r a c t e r i s t i cs c a l e so fg r a i ns h a p e a n dw ec l a r i f i e dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es o l i df r a c t i o no fs e m i - s o l i da l l o ya n dt h et e m p e r a t u r ef i e l dt o l a yt h ef o u n d a t i o nf o rt l l ef i n a lo r d e rt oi n v e s t i g a t et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h eh e a t f l o wf i e l da n dt h ee v o l u t i o no fg r a i ns t r u c t u r ei n t e r a c t i o ni nt h es e m i s o l i df o r m i n g p r o c e s s e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a t ： 1 ) t h et e m p e r a t u r ev a l u e so fa l l o yi nt h ec y l i n d r i c a lb a r r e lw h i c h w a sm e a s u r e d i n 1 1 i g ht e m p e r a t u r e d i f f e r e n t i a lc o n d i t i o n sw a sl o w e rt h a nt h eo n ei n l o w 。 t e m p e r a t u r ed i f f e r e n t i a lc o n d i t i o n s 2 ) t h et e m p e r a t u r eo fs e m i s o l i da l l o y l e v e l e do f fu n d e rt h em e a s u r e so f m e c h a n i c a lv i b r a t i o na n dm e c h a n i c a la g i t a t i o n a n dd u r i n gt h ec o o l i n gp r o c e s s ，t h e t e m p e r a t u r ec h a n g eg e n t l y w i t h o u ts h a r pd e c l i n e 3 ) a b o u tt h ep r o c e s s i n go ft h e c o n s t i t u t i o nd i a g r a m ：i nt h em e t a l l o g r a p h i c i i i a b s t r a c t m e t h o d ，w eu s e dt h et e c h n o l o g yo f “h i g h c o n t r a s tb l a c ka n dw h i t e i n t oi m a g e p r o c e s s i n g t oc a l c u l a t e t h es o l i df r a c t i o n ，a n d o b t a i n e dac l e a r e rc o n s t i t u t i o n d i a g r a m t h es t a t i s t i c sd e r i v e df r o mt h es o l i df r a c t i o nw a ss i m i l a r 、杭t l lt h ec a l c u l a t e d v a l u e ，a n dt h ee r r o rw a sc o n t r o l l e dw i n l i l l5 4 ) u n d e rt h em e c h a n i c a lv i b r a t i o no rm e c h a n i c a la g i t a t i o n ，t h ec o n s t i t u t i o n d i a g r a ms h o w e dt h a ta l l o yg r a i nb e c o m es m a l l e r , a n dt h eg r a i ns h a p eb e c o m e sm o r e r o u n d e d 、历t 1 1t h ed e n d r i t e sr e d u c t i o n g r a i nr e f i n e m e n tw a sg o o df o rt h ei m p r o v e m e n t o fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs e m i - s o l i da l l o y k e y w o r d s ：s e m i - s o l i d ；s o l i df r a c t i o n ；s o l i d i f i c a t i o nh e a tt r a n s f e r ；i m a g ep r o c e s s i n g i v 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景和意义 在近现代的材料加工领域里，研究人员把更多的目光和精力投入到合金的 加工过程和制备方法上。作为一种新型的m - r 技术，半固态合金加工工艺获得 了深入的研究和发展，有关半固态加工的研究领域也因此得到了相应地拓引1 | 。 半固态加工技术对于具有某些属性的合金材料，尤其是固液两相温度间隔比较 大的合金的制备和加工有着十分重要的指导意义【2 】。作为“本世纪最有发展潜力 的近净成形技术”，它改变了单一传统加工垄断的格局，催生了许多性能良好的 新型复合与合金材料等 3 5 】。从国内外逐渐深入研究和不断扩大应用的趋势来看， 半固态) 3 n - r 技术将会成为新世纪最重要的浆料制造关键技术之一。在材料学领 域众多享誉全球的知名学者和专家一致认为，无论是从军工还是民用角度来分 析，半固态加工技术是未来所有发达国家争相发展的一个重要领域【6 j 。 同时在制备镁合金带坯的应用上，利用铸扎技术和半固态加工技术相结合， 不仅可以提升板坯的加工性能，还具有加工流程短，工作效率高的特点【7 邗j 。因 此对镁合金半固态传热机理进行深入研究，建立并优化合适的半固态浆料的相 变传热模型，对提高合金带的加工质量，甚至对半固态成形工艺的发展具有十 分重要的意义1 9 j 。 有关半固态合金凝固过程温度场得分布方面的研究，在国内清华大学徐艳【l o 】 等利用g a u s s s e i d e l 松驰迭代法对铸造流程进行了数值模拟结果发现：凝固点 的位置是影响半固态合金组织良好的重要因素，同时她采用了全隐式有限差分 法对镁合金的铸轧过程进行分析，发现半固态镁合金的铸轧参数选取对其流变 铸轧有很大的影响；该学者通过使用f d m f e m 集成系统来模拟半固态流变铸 轧的应力场和温度场，探明了轧区温度场的分布也是影响镁合金成型质量的十 分重要的因素之一。在温度场模拟方面，张莹等学者【l l 】在建立流变铸轧数学模 型时，引入了流体力学中常用的计算处理方法，探索在镁合金半固态成型中最 好的成型时的温度分布范围，模拟结果发现，当半固态浆料浇铸时的温度控制 在5 8 4 。c 时，能够获得最好的锌合金板材。学者湛利华等u 2 j 数学模拟的重点是 研究不同的工艺参数对铸坯温度分布的影响，他同时应用a n s y s 软件进行温度 第1 章绪论 场模型的建立，在不同条件下对铸造温度进行了分析。李小川等1 1 3 a 4 模拟并分析 了硬质聚氨酯的导热过程，作为一种多孔介质，该学者利用控制容积法对此种 泡沫材料进行计算，并对结果取界面调和平均系数，对所获得金相图进行图像 处理，实验结果与计算得到的有效导热率值近似符合。 综上所述，现在的大部分学者对铸轧区热流场数值模拟中，大多是针对合 金微观组织和铸造加工工艺参数之间的研究。我国的半固态传热传质研究还尚 在起步阶段，有关热物理参数( 换热系数，温度分布等) 和制浆之间的关系还 需要进一步的深入研究和探索。 1 2 半固态浆料的制备方法 在通信领域，机械领域，尤其是汽车，航空，航天，铸造，等方面，半固 态合金有着广泛的应用【l5 1 。正是由于工业生产，现代生活对这项技术需求的日 益旺盛，因此不断促进了心得半固态合金浆料，坯料等制备技术的发展1 5 , 1 6 。新 的浆料制备技术应具备如下优点：实际操作方便，流程比较短，现有的加工方 法，工艺设备能够得到充分利用，以及相对于常规压铸条件下生产得到的产品， 新产品应该有更好的力学性能【l 川。常用的半固态浆料制备的技术方法如下： 1 2 1 搅拌法 1 ) 机械搅拌法 a 双筒旋转法：此种制备半固态浆料的方法的优点是在作业的同时可以连续 性地获得有关浆料流动性质的相关数据，与粘度测量方法有异曲同工之妙。 b 单叶搅拌法：这是实验室里制备合金浆料最原始最简便的方法。将合金体 加热至液相线以上一定温度范围并保持稳定。为了细化晶粒，打碎枝晶，实验 人员利用一个带有桨叶的细棍作为搅拌工具，对熔体进行有周期性地均匀地搅 拌运动。进一步优化此工艺，可获得诸如单，双螺旋搅拌方法等【1 8 】。 2 ) 电磁搅拌法 如今，有两种方法产生旋转磁场：一种是全新方法，由永磁材料组成的电 磁感应器，性能稳定。其中感应器内部可以产生工艺所需的高强度磁场，是一 种旋转永磁体。另一种是传统方法，即在感应圈内通交变电流【l 引。 2 第1 章绪论 1 2 2 瞬间形核法 1 ) 倾斜板浇注法 这种方法被称为n e wr h e o c a s t i n g ，简称n r c ，在1 9 9 6 年u b e 公司申请了专 利。此工艺的措施是将坯料加热融化，当合金温度至液相线以上，将其浇注到 具有良好导热能力的倾斜平板上。平板的强烈激冷作用促使半固态合金内部生 成数量可观的自由晶。最后用可调节冷却参数的坩埚收集浆料以制备后续浆料 【2 0 】 0 在利用倾斜板浇注法制备浆料时，合金的微观组织形态和浇注温度有十分 重要的关系。如图1 1 所示为n r c 倾斜板浇注法示意图。图中1 坩埚2 液态合 金3 倾斜版4 坩埚。 图1 1n r c 倾斜板浇注法 2 ) 弱机械搅拌式和低过热度浇注流变铸造工艺 该技术又被称作s e m i s o l i dr h e o c a s tp r o c e s s ，简称s s r t m ，美国麻省理工学 院( m i t ) 的f l e m i n g s 等人本世纪初年创造的一种新型流变铸造专利技术， 该方法的主要思路是：用镀有薄膜的金属棒对制备坩埚中的合金熔体进行 短时间搅拌，直至半固态合金的温度降至液相线以下。抽出用于搅拌的铜棒， 冷却合金到预定的固相率。最后利用压铸机对半固态和金进行压力铸造1 2 。 3 ) 弱电磁搅拌和低过热度浇注式流变成形 低过热度浇注和弱电磁搅拌式( l o ws u p e r h e a tp o u r i n ga n dw e a k e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n gp r o c e s s ，简称l s p w e s ) 流变成形工艺路线是：在制备坩埚 中注入一定过热度的合金液，同时用短时低功率电磁搅拌对制备坩埚中的合金 熔体进行处理，得到更多的球状初晶组织，以达到细化晶粒目的，接着进一步 第1 章绪论 采用适当的均热操作最后可以方便地进行流变锻造或流变压铸成形。 这种技术的优点主要有：浇注操作容易；浇注温度较高；搅拌时间短；能 耗少；浆料不易氧化；浇注整体化，不合格逐渐易于回收利用；铸件生产成本 低，工艺流程短【2 2 】。目前低过热度浇注和弱电磁搅拌式流变成形正在进行工业 化应用。 4 ) 蛇形通道浇注式( s c p ) 在加工的初始，向立式蛇形通道内注入过热合金液，一般过热度会保持在 小于一百摄氏度，当合金适当凝固后，获得半固态合金浆料，经过观察发现其 具有一定的球状初生相。 过热合金液体所含有的多余热量通过流经的导热性能良好的弯曲蛇形管道 内壁快速传递出去。与此同时，在多次改变流动方向后，溶液体在管道内源源 不断地流向了坩埚中。在不同的加工工艺中，合金熔液最后的凝固位置有所不 同，有的被引导至挤压铸造机的压室内，有的直接经过锻造机的锻模处理直接 压铸成型【2 = j j 。 见图1 2 其中1 为可移动压射冲头，3 是大型坩埚，5 是固定浇口杯，7 是 密闭压室，9 是产品定模，1 1 是工件动模。 广j 图1 21 卜直线型通道浇注的流变成形j ：艺 1 2 3 搅拌和瞬间形核法 麻省理工学院研发的s s r 的制浆原理。此工艺分成3 个基本步骤如图1 3 。 ( 1 ) 在保持铝合金一定过热度的前提下，向溶液中插入铜棒，开动电机， 使得铜棒匀速转动，与此同时有高速的石墨不断飞向铜棒表面并保持石墨层厚 度均匀。 ( 2 ) 利用铜具有良好的导热性，半固态合金的多余热量通过铜棒而被传导 4 蒸 第1 章绪论 至外部，当温度下降到低于液相线时提取旋转的铜棒。 ( 3 ) 低固相率浆料冷却至液相线一下。温度较低的铜棒为形核提供了良好 的条件，也因此在某种程度上加大了半固态合金形核的速度。与此同时有些枝 晶从石墨表面脱离后被分散到两相温度区的熔体中，形成了其他枝晶发展所需 要的晶核。 ( 4 ) 获取的低固相率的铝合金浆料，注入所用的模型中，并缓慢冷却所要 求的温度。此方法为机械搅拌和激冷的整合【2 4 2 5 1 。 和攀0 囊姆 ”。t 篓 、 簇缒。k 。 。钳誊 图1 3 s s r 工艺过程图 1 2 4 压力j n - r 法一应变诱发熔化激活法( s i m a ) 应变诱发熔化激活法( s t r a i n i n d u c e dm e l ta c t i v a t i o n p r o c e s s ，又称s i m a ) 。 该加工方法的特点是：为了达到破碎枝晶的目的，首先加热铸件至再结晶温度 区间内，在冷变形处理之前，对坯料进行数次的挤压变形，以便达到细化金属 晶粒的效果。为了获得具有触变性能的坯料，对之前加工的坯锭进行切分，之 后保持一定温度，并瞬时将温度提升至固相线与液相线之间，最后就可使合金 形成球状的半固态【2 6 。0 1 。 低温热加工和重新熔铸对压力加工法影响较大，有些研究人员为了增加工 艺的操控性，还进一步在两种工序间增加设计了冷加工工序。对于各种高低熔 点的合金系列，特别是较高熔点的非枝晶金属，应变诱发熔化激活法技术具有 更为广阔的适用性，优越性。该技术广泛应用于铜合金，铝合金，不锈钢，工 具钢等。 5 第1 章绪论 应用压力加工法制备的半固态合金生产效率高，耗能小，坯料纯净，绿色 环保，将是一种十分有发展潜力的坯料制备方法。 1 3 多孔介质及传热传质基础简介 多孔介质是一类具有固体骨架的多相空间，如图1 4 所示，宏观上均匀分布 着孔隙空间的固体物质。固体物质中的孔隙可以是相互连通的，也可是互不连 通的，其中一般都充满着一种或几种流体，如空气、水等。在地质学中的多孔 介质包括岩石和土壤，煤、混凝土、石灰石和白云石等。在医学，生物学中的 肺、肝、心等脏器，在某种程度上都是多孔介质。 图1 4 多孔介质空间骨架图 多孔介质已经成为多学科交叉研究的热点，它已经渗透到了包括化学工程， 能源，医学，材料，农业工程的相关应用领域，具有十分巨大的研究潜力和发 展空间，必将成为一个具有重大学术价值的研究课题，已成为工程热物理中最 活跃的前沿研究领域之一【3 。 多孔结构中的传热过程主要包括以下几个方面： 1 、导热情况包括：液态或气态的流体之间，固体微粒和固体骨架之间存在 接触时和不存在接触时。 2 、对流换热包括：气态或液态的流体之间，流体与固体微粒之间。 3 、辐射换热包括：多孔介质内的空隙中所包含的气体和气体，气体和微粒， 固体微粒自身的相互辐射等。多孔介质传质有两种不同的方式：对流传质和分 子扩散。热量既可以借助流体的对流传递和流体的导热过程，又可以通过固体 6 第1 章绪论 骨架的导热【3 2 】。 1 3 1 半固态金属中的固相率与多孔介质中的孔隙率 在半固态区间，金属半固态浆料中所含有的固相占整个液，固系统的质量 分数，称为固相率。在忽略凝固后金属密度的变化的条件下，可以近似等效为 固相率等于系统中固相所占的体积分数例。 在简单条件下，如果忽略固相中的扩散，液固两相区的合金固相率达到了局 部区域平衡。在此种情况下，可由s c h e i l 方程给出液相成分c ，和液一固两相区 液相率z 之间的关系。分配系数k 为常数时，可表达成如下( 2 1 ) 形式： z = ( 导) 1 。世 ( 2 1 ) 乙0 其中c 。为初始合金成分。 合金半固态区的温度t 和合金成分c ，有关，反应在平衡相图中，就成一液 相线。因此上式又可表达成 石= 一一1 - k ( 2 - 2 ) 其中，是无量纲温度( l t ) ( 乙一正) 。这种关系常常可用于凝固过 程数学模型的建立。这里乙与正分别为纯金属溶剂的熔点与c 。合金所对应的液 相线温度。式2 2 描述了固相率与液一固两相区温度之间的直接关系3 4 1 。此公式 常常被应用于实验研究中，通过测量温度而直接计算出固相率。 多孔介质的孔隙率( p o r o s i t y ) 常是指有效孔隙率，是指其内部的微小空隙 的空间总和l 隙与其所占空间v 孔的比，具体定义式为： 妒= 谶x1 0 0 = 寺枷 沼3 ， v 多孔 v b 一 1 3 2 多孔介质在半固态凝固过程中的应用进展 a 、多孔介质在传热传质的研究方法 在揭示多孔介质在传热传质的研究中，前人多从质量，能量，动量等角度 进行深入分析，并采用理论模拟和实验分析的方面进行深入探索。理论研究可 以分为：宏观水平，微观水平，分子水平，其中宏观水平的研究方法较为常用。 7 第1 章绪论 微观水平的研究对象是流体质点或微元体，研究方法将孔隙中的流体视为 流体连续性介质。宏观分析也是从连续性介质的角度出发，取一个比单个空隙 空间数量级大很多的一个微小区域作为研究对象，这个控制体设为表征体元。 为了分析在该体积内部的传热和流动过程，我们利用体积平均算法的策略，对 假设的多孔介质进行运算。一般来说，因为在宏观方法中所选取的微观运动和 模拟计算里所建立的物理模型有一些偏差，这会导致最后的实际测量与模拟结 果不能完全吻合，有一定少许的偏差。 在多孔介质的传热传质研究中在什么条件下选取局部热平衡模型来进行研 究也是有相关的条件：例如，如果多孔介质中的骨架与空隙中的气态或液态流 体热量交换充分，即他们的温度基本相同，此时应该采用此法求解【3 3 q 4 1 。 将半固态合金近似为一种多孔介质结构，并在其中填充相变材料。许多学 者建立了简化导热模型，这些经典的模型基本上可以分为四大类：统计模型， 局部结构模型，半经验模型，容积平均模型。一般来说，多孔介质传热过程的 研究方法大多可以分为三种： ( 1 ) 经验法。模拟对流换热常用到此法 ( 2 ) 计算法：用数值分析或解析等数学方法进行计算，之前要根据具体实 验条件建立物理模型，转化为数学模型，定义边界条件，确立本构定律，建立 能量，动量，质量守恒方程，进而逐步转化为一个定解问题以便接下来的求解 运算。 ( 3 ) 有效当量法。多孔介质的传热过程中，常常含有不同的相态的多种传 热模型，如果没有侧重点的研究，困难将会非常大，以至于徒劳。所以在工程 应用的利用中，经常要根据实际情况，对传热要抓住主要影响因素，对主宰模 式进行判断，忽略次要效应，进行传热过程的计算与分析。通常隋况下，将这 种已经被人们所熟悉的计算分析方法直接应用于复杂的传热过程，很难产生有 用的结果。但在这种方法却具有明显的优势，它把不同种介质的传热方式进行 综合匹配，折算为一个具有统一形式的有效导热系数，进而在宏观上通过确定 一个导热系数的策略来解决导热问题。 此种方法与注重主要影响因素的分析方法有着相似之处，把它用于那些对 流，辐射换热分量不大的过程，不会造成太大的误差。 b 、多孔介质在半固态研究中的模拟 在合金的传热传质研究上，谢丰广1 3 5 l ：t , - r - 作重点集中在对波浪型倾斜板振 8 第1 章绪论 动作用下半固态合金的数值模拟，并对斜板表面的传质与传热进行了系统性的 实验研究。在传热方面，清华大学的卢涛1 3 6 j 根据体积平均理论，建立多孔介质中 融化相变过程自然对流模型。数值模拟了以冰为填充相，以石英砂颗粒为骨架 的二维融化过程。数值结果表明，融化界面与水平线倾角随融化时间越来越大， 在融化区上部发生较强烈的自然对流。同时在强迫对流的研究方面，张尉然1 3 7 j 基于多孔介质本身的结构和特性，可知其对强化换热起到了一定的积极作用。 b o l t z m a n n 方法的最大优势是它在复杂结构情况下能够求得边界条件，而且 该方法能高效地计算微粒之间的相互力1 3 8 , 3 9 1 。格子b o l t z m a n n 计算方法的诞生已 经大大推进了相关流体的运输现象的计算效率，这也正是它基于统计演化分布 的介观方法的优势所在。近几年来，大量的传热问题中越来越多地使用格子 b o l t z m a n n 方法进行计算。在地质学方面有关空隙岩石的渗透特性的研究中，朱 益华1 4 0 j 使用格子b o l t z m a n n 方法得到能准确求解多孔介质中流动问题的 n a v i e r - s t o k e s 方程，这说明格子b o l t z m a n n 方法可以用来计算实际问题的渗透 率。 1 4 本课题来源，研究内容和方法 1 4 1 课题来源 课题来源于导师国家自然科学基金镁合金半固态流变铸轧相变传热机 理研究( 项目批准号5 1 0 6 6 0 0 5 ) 的一部分内容，是纵向课题项目。本课题的主要 任务就是通过具体的实验研究锌合金半固态下的相变温度场的分布，揭示半固 态浆料传热机理，为后续课题的镁合金流变铸扎相变传热机理的研究提供一定 实验基础和理论指导。 1 4 2 课题研究内容 项目将充分利用课题组自身在工程热物理和材料加工交叉领域的特色，利 用实验研究和数值模拟等多种研究手段，以铸造锌合金为主要研究对象，旨在 研究探索半固态金属凝固过程中传热机理和温度场分布。 具体的研究内容如下： 1 ) 了解半固态锌合金浆料特点和流动传热机理，发现实验研究中的难点。 2 ) 搭建对流换热实验台架，调试仪器，使温度场满足半固态合金实验要求。 9 第1 章绪论 3 ) 进行半固态浆料对流传热实验，深入研究半固态锌合金流动传热规律。 测量保温筒内锌合金的温度分布。 4 ) 对所获得的金相图进行图像处理，计算不同温度时的固相率，探究温度 场与固相率分布之间的关系。 1 4 3 课题实施方案： 半固态浆料的制备和不同工况下的温度场测量 本实验采用液态金属半固态浆料制备： a ) 固定温度场 首先将合金加热至熔化状态，通过对控制柜的温度调节使合金浆料的整体 温度固定在半固态区间内。利用多方位热电偶对浆料的内部温度场进行测量。 记录实验数据。 b ) 改变温度场范围 在控制柜对温度的控制保持不变的情况下，对浆料的中心部位通风，改变 温度场的最低温度，进而增大半固态合金的最高温度和最低温度的差值。待整 体温度场稳定后，测得温度场分布，记录实验数据。 c ) 机械搅拌 机械搅拌是最原始的浆料制备方法，一般可分类为连续型和非连续型。为 了能够使半固态中的非晶枝组织更加良好，在浆料冷却过程中，利用搅拌改变 以往半固态合金的结晶方式，促使晶核分布均匀，同时提高半固态形核数量， 以达到细化晶粒的效果。在对液态金属进行机械搅拌后，利用多方位热电偶对 浆料的温度场进行实际测量，探究类似牛顿体的半固态锌合金的传热规律。 d ) 机械振动 为了探究机械振动对半固态浆料的潜在影响，对浆料进行一定频率的机械 振动，保证合金温度场稳定后，测量在机械振动条件下的类似多孔介质的半固 态锌合金的温度场分布。 1 5 本章小结 本章主要介绍了论文的研究意义和背景，通过简要介绍现行的工业应用的 半固态浆料的制备方法和发展趋势，引出课题的来源和依据。通过大量的文献 阅读，确定现在半固态加工中出现的问题，发掘问题的本质，抓住问题的主要 1 0 第1 章绪论 矛盾。确立课题的研究方向，提出可靠的研究方法，确立实验的实施方案，即 建立模型，数值模拟。通过测量半固态浆料在不同工况下的温度场，研究实际 过程中半固态合金的传热规律。通过揭示半固态浆料的传热机理，为后续研究 的相变传热机理提供一定的实验基础和理论指导。 第2 章? ，| 固态合金相变传热实验原理和设备 第2 章半固态合金相变传热实验原理和设备 2 1 相变传热的实验装置原理 如图2 1 所示，实验系统的核心装置是一个可拆卸的测温筒，简体的外部安 装有可控温的电阻加热板，加热板受控于专门定制的温度控制柜以调整测温桶 内壁面的温度。测温筒的中心安装有冷却管道，可以按照实验要求通过水泵或 者风机通入一定流量的冷却水或者空气以达到带走热量的目的。测温筒( 或称 保温桶) 的外围及上下部位包裹大量石棉以保证热量不散失。炉筒上方放有保 温盖，方便热电偶插入测量温度，同时又防止外部杂质进入。 图2 1 测温筒 因在实验设计时，测温筒的功率有所限制，在直径为4 0 0 m m 的炉筒外部， 所缠绕的加热电阻丝所能达到的最大加热功率为1 5 0 0 w 。如果将实验所需的锌 合金加热至所需的半固态区间( 3 8 2 。c - 4 2 3 ) ，则需要的加热时间过长，不利 于温度的测量。为提高实验效率，课题组在保温筒下方又增加了功率为1 0 0 0 w 的环形加热板，以加快合金融化速度。但为了达到所采用的数学模型的温度场 和热流场要求，分别将环形加热电阻丝与筒形加热电阻丝并联连接，采用不同 开关控制。 实验的具体过程主要通过熔炼炉获得液态的合金，利用n r c ，新m i t ，机 1 2 第2 章半固态合金相变传热实验原理和设备 械搅拌等手段制取一定温度的半固态浆料后，浇铸入测温筒内。调整加热板温 度于半固态区间内的预定值，在启动冷却系统，使得测温度内产生一个径向分 布的热流场，通过安装于测温筒支架上可调节位置和高度的热电偶测量并贮存 浆料内的温度场分布。通过多路温度测试仪采集数据，采集数据的时间频率为1 次秒。通过u 盘或直接连接p c 机，处理分析数据。实验系统如图2 2 。 改变温度控制柜的功率范围，调整测温筒的温度区间，待炉内的半固态合 金温度场稳定时，采集实验数据，比较结果，分析温度场的分布。 冷 图2 2 试验系统示意图 2 2 合金凝固过程的实验设备 2 2 1 合金熔炼炉 熔炼合金是本实验工作的第一步，也是十分关键的环节，加热过程对后续 半固态合金的影响至关重要，熔炼装置间图2 3 所示：首先，熔炼炉的温度必须 要保持在合理的温度区间值内，因为过高或过低的加热温度都会严重影响熔炼 合金效果。其次，要确保锌合金的成分不发生变化；最后，在测试前要进行除 气和除渣环节，以便提高合金的晶相组织的纯度。 图2 3 熔炼设备炉 1 3 第2 章半固态合金相变传热实验原理和设备 对本实采取的熔炼合金为锌合金，有以下注意事项： 1 ) 加热温度的范围控制。实验采用的锌合金的固液线范围为3 8 2 4 2 3 ， 熔炼温度的偏低或偏高对最后实验结果又很大影响。温度过低，在转移，倾倒 液态合金至保温炉时，冷却时间太短，不易操纵，更不易后续的实验温度场的 测量。温度太高会促使合金中的锌与空气在高温条件下发生化学反应，加快氧 化反应，腐蚀坩埚，甚至导致坩埚使用寿命变短等各种不利影响。 2 ) 在熔炼前，必须对合金料，坩埚等工具进行清洁，除表面的旧渣、油污、 锈迹等。为了减少工具上的贴和其他杂质元素在操作过程中掺入合金中影响成 份，减少工具和涂料中水分含量，将坩埚和工具预热到1 5 0 2 0 0 。c ，在工作表 面上喷一层z n o 保护涂料，之后将坩埚和工具重新加热至2 0 0 3 0 0 。 3 ) 合金熔炼的温度控制。在本实验中使用的合金为锌合金，液相线为4 2 3 ，固相线为3 8 2 ，合金熔炼所达到的温度过低或过高都会对铸造效果产生不 良的影响。温度过低时的合金流动性不高，对于合金铸造成形有困难。温度过 高可能会造成锌合金的氧化加速，同时导致合金中少量的铝镁等元素烧损，也 会增加熔化能量的损失。再者，温度过高可促使锌和坩埚反应速度加快，会产 生坩埚使用寿命缩短等不良后果。由实验的经验观察发现，通过对液态锌合金 的刮渣时对液体表面的观察可以初步估计加热温度的情况，如果刮渣后液面很 快浮起“白霜”，这说明起渣过快，加热温度偏高，应该及时调整加热温度。相 反如果溶液变得过于黏稠，则意味着温度偏低；如果刮渣后液态合金不太黏稠， 也比较清亮，起渣不是很快，说明温度合适。 4 ) 扒渣。如果熔融的合金暴露于空气中，它都会发生氧化，因此保留炉面 一层薄的浮渣可以阻止内部液体的进一步氧化，所以不需要过于频繁的扒渣。 在必要的扒渣过程中，将合金液上面的浮渣用扒渣勺轻轻搅动，以便使其与锌 合金分离，在此过程中要尽可能避免搅动锌锅中合金液，以避免使更多的合金 液与空气接触从而形成新的浮渣。 5 ) 脱气及除渣精炼。因为在合金熔炼过程中，液态金属容易吸气及氧化发 生夹杂现象，因此制备半固态时需要对合金进行除渣及脱气精炼。将锌合金加 热至4 2 0 的完全液态，再加入相比于锌料重量0 2 - - 0 5 的脱气剂h s c 8 q 和 除渣剂h s 0 8 ，同时进行缓慢搅拌，并用钟罩压入溶液内部，待其反应完毕后， 将溶液中的气体和夹杂物排除。 1 4 第2 章半固态合金相变传热实验原理和设备 2 2 2 热电偶 各种分度号的补偿导线只能与相同分度号的热电偶配用，否则可能欠补偿 或过补偿，常用热电偶在l o o 和2 0 0 时需补偿的热电势值见表2 1 ： 表2 1 热电偶在不同温度时的热电势 参考端为o 。c 时的热电势m v 热电偶名称热电偶分度号 1 0 0 2 0 0 l 铂铑1 旺铂 s0 6 4 61 4 4 1 铂铑1 3 铂 r0 6 4 71 4 6 9 铂铑3 旺铂铑6 b0 0 3 30 1 7 8 镍铬一镍硅 k4 0 9 68 1 3 8 镍铬硅一镍硅 n2 7 7 45 9 1 3 镍铬铜镍 e6 3 1 91 3 4 2 1 铁一铜镍 j 5 2 6 91 0 7 7 9 铜一铜镍 t4 2 7 9 9 2 8 8 当我们用k 分度号的补偿导线配用n 分度号的热电偶，将造成过补偿，显 示温度偏高；反之，用n 分度号的补偿导线配用k 分度号的热电偶，将造成欠 补偿，显示温度偏低。 由热电偶的测温原理可知，热电偶产生的热电势与热端( 又称测量端) 、参 比端( 又称冷端) 的热电势有关，只有参比端温度t 1 为零或恒定不变，热电势 才是热端温度的单值函数( 见图) 。如果不补偿的话，则热电偶的参比端温度与 仪表接线端温度t 2 间的温差t 1 一t 2 越大，测量误差也越大。由于大多数热电偶的 热电势与温度的关系近似线性，所以造成的测量误差大致等于上述温差。实际 应用时，由于热电偶参比端的接线盒通常暴露在大气中，温度变化较大，如不 采取措施，接线盒内温度既不可能为零，也不可能保持某个温度恒定不变，由 此引起测量误差。由于与热电偶相连的二次仪表( 如显示器、记录仪) 、i 0 插 卡等均带环境温度补偿，可对这些装置与热电偶的接线点( 即仪表接线端) 温 度t 2 进行补偿。 补偿导线除了可减少测量误差外，还有以下优点：可改善热电偶测温线路 的物理性能和机械性能，如采用多股线芯或小直径补偿导线可提高线路的柔韧 1 5 第2 章半固态合金相变传热实验原理和设备 性，使连接方便，也易于屏蔽外界干扰；可降低测量线路成本。 其中k 分度号的补偿导线有补偿型k c 补偿导线与延伸型k x 补偿导线两 种。有不同的优势和应用范围。对比较见下表： 表2 2k 分度号补偿型与延伸型补偿导线的性能比较 性能补偿型k c延伸型k x 材质与热电偶材质不同与热电偶材质相同 热电势特性一定温度范围内，与配用热电偶相近与配用热电偶相同 误差曲线非线性，随温度而变线性 不受限制( 仅取决于绝缘材 使用温度范围受限制( 如一般用补偿导线为1 0 0 。c ) 料) 线路电阻低( 约0 8 d m ，m m 2 )高( 1 5 d m ，m m 2 ) 补偿接点干扰因两种不同材料构成补偿接点，可能产生干扰无 补偿精度 低尚 价格低高( 约高1 2 倍) 为减少测量温度的误差，提高实验的准确性，降低实验成本，课题组采用k 型热电偶，补偿型k c ，即镍铬镍硅热电偶对保温炉内的凝固的半固态合金进行 温度测量如图2 4 。 图2 4 镍铬一镍硅热电偶 1 6 第2 章半同态合金相变传热实验原理和设备 2 2 3 温度控制柜 1 ) a 1 人工智能温度控制器( v 7 0 ) 见图2 5 。其主要特点如下： a 自动输入校正功能，测量精度可高达o 2 级 b 具有人工智能正定调节功能，不需微调 c 机构模块化先进，且有多中输出方式 d 抗干扰性强，能够在各种严酷的工业条件下工作 图2 5 温度控制柜 2 ) 技术规格： 测量精度：o 2 级( 0 2 f s 0 1 ) 分辨率：0 1 ，可选择按1 显示。 温度漂移：o 0 1 f s ( 典型值约5 0 p p m 。c ) 响应时间：0 3 秒 调节方式：位式调节方式( 回差可调) 2 2 4 多路温度巡检仪 金科j k x u 多路温度巡检仪配备大屏幕液晶显示屏，u 盘保存接口，可方 便测量显示和保存温度数据，是一种适用于多点同时实时监控跟踪的仪器，如 图2 6 。使用高耐压半导体继电器作为切换输入信号的扫描，实现了高速扫描， 消除了传统采用继电器带来的噪音及使用寿命问题。 技术特性：可设定各通道上下限温度值，超限声二音报警。大屏幕液晶显示， 可同时显示多路温度值具备u 盘接口，插入u 盘可海量保存温度记录数据。广 泛应用与家用电器、工业上( 线路板p c b 的温度检测等) 温度的测试领域。 热电偶测量范围和精度： 17 第2 章j 卜同态合金相变传热实验原理和设备 j ：- 2 0 0 7 6 0 k ：0 1 3 7 0 ( 0 5 ) t ：10 0 - 4 0 0 ( o 2 ) 主要技术指标： 1 、测温范围：一1 0 0 1 0 0 0 。c ；标配k 型热电偶2 米长( 8 通道为8 根) 外皮耐温：5 0 3 0 0 2 、测量精度：0 1 0 0 0 。c ：( 读数值o 5 + 1 ) ，1 0 0 0 ：( 读数 值0 5 + 2 ) ； 3 、具有抗高频干扰功能。 4 、温度信号输入通道数：最多可配置8 组，每组8 路； 5 、传感器：镍铬镍硅( k 型) 热电偶( t 型，j 型可特制) 。 6 、采样速率：1 0 采样点秒 图2 6 金科j k x u 多路温度巡检仪 2 2 5 电子显微镜 m m 2 f 置金相显微镜是适用于对不透明物体的显微观察。该仪器配有落射 照明器，平场消色差物镜，大视野目镜，图像清晰，衬托好，如图2 7 。 大视野目镜最大放大倍数1 0 倍，平场目镜最大放大1 6 倍。 平场消色差物镜( 无盖玻片) 放大倍数分别为：5 x ，1 0 x ，2 0 x ，4 0 x ，6 0 x