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东北大学硕士学位论文 摘要 z l 2 0 1 合金半固态触变压铸及数值模拟 摘要 金属半固态成形技术具有成形件组织致密、力学性能高、模具寿命长等优点， 经过3 0 多年的发展已经取得了重要的进展，并将成为2 1 世纪最有前途的金属材料 成形技术之一。 本文以z l 2 0 1 合金为研究对象，系统研究了半固态坯料的制备、二次加热、数 值模拟、触变压铸以及固溶时效，并取得了以下研究成果： 采用近液相线半连续铸造技术制备的z l 2 0 1 合金半固态坯料的微观组织为大 量的等轴晶和少量细小枝晶；当电磁场频率为3 0 h z 时，低频电磁搅拌半连续铸造 制各的z l 2 0 1 合金半固态坯料的微观组织为均匀、细小的非枝晶。 二次加热温度和保温时间共同影响着二次加热组织的演变过程，二次加热温 度越高，组织演化进程加快；保温时间越长，晶粒球化效果越显著。采用等温二 次加热，在6 3 0 下保温1 5 m i n 2 0 m i n 和在6 4 0 c 下保温1 0 m i n 1 5 r a i n ，采用变温二 次加热，当温度达到6 4 0 时，均可获得均匀的近球形二次加热组织，固相体积分 数在4 0 - - 6 0 之间，适合触变成形。 利用a n y c a s t i n g 铸造仿真软件对半固态触变压铸充型过程进行了数值模拟，获 得了理想的工艺方案：即压铸温度6 4 0 ，模具温度2 4 0 。c ，内浇口厚度1 l m m ，低 速阶段的压射速度0 1 m s ，高速阶段的压射速度t m s ，粘度控制在1 0 p a s l p a s 之 间，在充型0 8 3 s 时，即充型6 0 时进行高速切换，金属浆料以层流方式充填型腔， 减少了压铸件中气体的含量，有利于压铸件机械性能的提高。 z l 2 0 1 合金半固态触变压铸件的组织为较大的棒状、近球状的初生固相和由细 小枝晶、等轴晶组成的二次固相，比常规液态压铸件的组织致密。内浇口的厚度 影响着初生固相的形貌和分布，当内浇口的厚度为l l m m 时，初生固相在铸件内部 和浇注系统均匀分布：当内浇口的厚度为7 m m 时，初生固相在铸件内部分布得较 少，且比较细小，而大量的初生固相聚集在浇注系统。 z l 2 0 1 合金半固态触变压铸件经过5 3 5 固溶9 h 和1 7 5 时效6 h 处理后，硬度最 大，为1 1 6 6 h v ，比固溶时效前提高了7 8 6 。 关键词：e l 2 0 1 合会二次加热触变成形数值模拟固溶时效 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho nt h es e m i - s o l i dt h i x o d i e - c a s t i n go fz l 2 0 1 a l l o ya n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n a b s t r a c t t h es e m i s o l i dm e t a lf o r m i n gt e c h n o l o g yh a sm u c h p r o g r e s si n3 0y e a r s ，d u et oi t s m a n ys i g n i f i c a n ta d v a n t a g e s ，f o ri n s t a n c e ，t h ef o r m e dp a r tp o s s e s s e sc o m p a c t e r m i c r o s t r u c t u r e ，h i g h e rm e c h a n i c a lp r o p e r t y ，l o n g e rd i el i f e ，e t e s s fi sb e c o m i n go n eo f t h em o s tp o t e n t i a lm e t a lf o r m i n gt e c h n o l o g i e si nt h e2 1 “c e n t u r y t h es t u d yi n c l u d e ss e m i - s o l i di n g o tp r e p a r a t i o n ，r e h e a t i n g ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， t h i x o d i e - e a s t i n g ，s o l u t i o na n da g i n gt r e a t m e n t ，e t c t h r o u g ht h ew h o l ep r o c e s so f s e m i s o l i dt h i x o f o r m i n go f z l 2 0 1a l l o y ，t h ef o l l o w i n gr e s u l t sw e r eo b t a i n e d t h em i c r o s t r u c t u r eo ft h ez l 2 0 1 a l l o ys e m i s o l i di n g o tc a s tb yn e a r - l i q u i d u s c a s t i n gi sl a r g eq u a n t i t i e so fi s o m e t r i cc r y s t a la n ds m a l lq u a n t i t i e so ff i n ed e n t r i t i c c r y s t a l t h eh o m o g e n e o u s ，f i n e ，a n dn o n d e n t r i t i cm i c r o s t r u c t u r e c a l la l s ob e s u c c e s s f u l l yo b t a i n e db yl o wf r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i cc a s t i n gw h e ne l e c t r o m a g n e t i c f r e q u e n c yi s3 0 h z t h er e h e a t e dm i c r o s t r u c t u r ei sa f f e c t e db yr e h e a t i n gt e m p e r a t u r ea n dh o l d i n gt i m e am i c r o s t r u c t u r ee v o l v e sf a s t e rw i t ht h ee n h a n c e m e n to f r e h e a t i n gt e m p e r a t u r e ，a n da g r a i ns p h e r i c i z e sm o r ea n dm o r ew i t ht h ep r o l o n g a t i o no fi s o t h e r m a lh o l d i n gt i m e t h e c a s t i n gm i c r o s t r u c t u r ei sg r a d u a l l yt u r n e di n t on e a r - s p h e r i c a lg r a i na n dt h es o l i dv o l u m e f r a c t i o ni s4 0 - 6 0p e r c e n t ，w h i c hs u i t a b l ef o rt h i x o d i e c a s t i n gb yb e i n gr e m e l t e da t6 3 0 f o r1 5 m i n - 2 0 m i na n da t6 4 0 ( 2f o r1 0 m i n - 1 5 m i nb yi s o t h e r m a lr e h e a t i n g o nt h e o t h e rh a n d ，s u c ham i c r o s t r u e t u r ec a na l s ob eo b t a i n e da t6 4 0 b ym e a n so f t e m p e r a t u r e c h a n g er e h e a t i n g i t i ss h o w nf r o mt h er e s u l t ss i m u l a t e dw i t ha n y c a s t i n gs o f t w a r et h a tt h eb e t t e r d i e c a s t i n gp r o c e s s ：c a s t i n gt e m p e r a t u r ei s6 4 0 。c ，d i et e m p e r a t u r ei s2 4 0 ，t h i c k n e s so f i n g a t ei s1l m m ，l o ws h o tv e l o c i t yi s0 1 m s ，h i g hs h o tv e l o c i t yi s1 m s ，v i s c o s i t yi sf r o m l o p a st o1 p a s ，s p e e dc h a n g i n gi s0 8 3 s ，n a m e l yw h e nf i l l i n gi s6 0p e r c e n t ，t h em e t a l s l u r r yf i l l sc a v i t yi nt h et e r mo fl a m i n a rf l o w ，a n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo ft h e i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t s e m i - s o l i dt h i x o d i e c a s t i n gp a r ti si n c r e a s i n gb e c a u s eo f l i t t l eo f t h e g a sc o n t e n t t h er n i c r o s l r u c t u r eo f t h es e m i s o l i dt h i x o d i e - c a s t i n gp a r to f z l 2 0 1a l l o yi sc o a r s e r o do rn e a r - s p h e r i c a lo r i g i n a ls o l i dp h a s ea n df i n ed e n t r i t i co ri s o m e t r i cs e c o n ds o l i d p h a s e ，b u tc o m p a c t e rt h a nt h a to ft h ec o n v e n t i o n a ld i e c a s t i n gp a r t t h et h i c k n e s so f t h ei n g a t ei n f l u e n c e st h ep a t t e r na n dd i s t r i b u t i o no f o r i g i n a lm i c r o s t r u c t u r e w h e nt h e t h i c k n e s so f i n g a t ei s1l m m ，o r i g i n a ls o l i dp h a s ed i s t r i b u t e se v e n l yi nt h ep a r ta n dt h e g a t i n gs y s t e m o nt h eo t h e rh a n d ，w h e nt h et h i c k n e s so fi n g a t ei s7 m m ，o r i g i n a ls o l i d p h a s ei nt h ep a r ti sl i t t l e ra n df i n e rt h a nt h a ti nt h eg a t i n gs y s t e m a f t e rt r e a t m e n ki e s o l u t i o na t5 3 5 cf o r9h o u r sa n da g i n ga t17 5 。c f o r6h o u r s ， t h eh a r d n e s so ft h es e m i s o l i dt h i x o d i e - c a s t i n gp a r to fz l 2 0 1a l l o yi s 11 6 6 i - i vt h a t i n c r e a s e s7 8 6p e r c e n tt h a nt h a tb e f o r et r e a t m e n t k e y w o r d s ：z l 2 0 1a l l o y ，r e h e a t i n g ，t h i x o f o r m i n g ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，s o l u t i o n a n da g i n g 。 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成 果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规 定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论 文被查阅和借阅。本人授权东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 日 毒u 再 口j彳， 弓曼 舞织 9 东北大学硕士学位论文第1 章半固态金属成形技术综述 第1 章半固态金属成形技术综述 1 1 半固态金属成形技术概述 2 0 世纪7 0 年代初，美国麻省理工学院( m i t ) 的博士研究生d b s p e n c e r 在自制的 高温粘度计中测量s n 一1 5 p b 合会高温粘度时发现了余属在凝固过程中的特殊力学 行为，如金属在凝固过程中，进行强烈搅拌，即使在较高固相体积分数时，半固 态金属仍只有相当低的剪切应力，这种特殊性能是由于基体中存在奇特的球状微 粒结构。于是，在f l e m i n g s 教授的领导下，对具有球状初生固相的半固态合金组织 形成机制、半固态浆料的力学行为和成形特点进行了深入研究，创立了余属半固 态成形的概念、理论和技术i 】o j 。 所谓半固态金属成形或加工技术( s e m i s o l i df o r m i n g ，m a n u f a c t u r i n go r p r o c e s s i n go f m e t a l ，简称s s f ，s s m 或s s p ) ，就是在液态金属凝固过程中，对其旌 以剧烈的搅拌或扰动、或改变金属的热状态、或加入晶粒细化剂、或进行快速凝 固，即改变初生固相的形核和长大过程得到一种液态金属母液中均匀地悬浮着一 定球状初生固相的固液混合浆料，利用这种固液混合浆料直接进行成形加工，或 先将这种固液混合浆料完全凝固成坯料，根据需要将坯料切分，再将切分的坯料 重新加热至固液两相区，利用这种半固态坯料进行成形加工，这两种方法均称之 为金属的半固态加工。在加工成形的过程中，浆料具有流变特性，即半固态金属 浆料具有很好的流动性，可以利用压铸、挤压、模锻等常规工艺进行加工成形。 1 1 1 半固态金属成形的特点 半固态金属浆料或坯料与传统过热的液态金属相比，具有半左右的初生固 相，而与固态金属相比，又含有一半左右的液相，且固相为非枝晶态，所以，金 属半固态成形技术具有一系列的优点【2 】： ( 1 ) 在重力下，重熔加热后的半固态金属坯料的粘度很高，可以方便地机械搬 运，也便于实现自动化操作；在高速剪切作用下，半固态金属坯料的粘度又可迅 速降低，便于成形。 ( 2 ) 半固态金属成形的生产效率很高。 ( 3 ) 半固态成形时，金属在充型过程中。不易发生喷溅，减轻了合余的氧化和 裹气，提高了铸件的致密性。因此，可以通过热处理来进一步提高铸件的力学性 东北大学硕士学位论文第1 章半固态金属成形技术综述 能，其强度比液态金属的压铸件高。 ( 4 ) 金属浆料或坯料在充型前己析出一半左右的初生固相，减少了凝固收缩， 铸件具有更少的收缩孔洞，能够承受更高的液体压力。 ( 5 ) 半固态金属浆料或坯料不存在宏观偏析，因而铸件也不存在宏观偏析，其 性能更均匀。 ( 6 ) 半固态金属浆料或坯料的固相分数可以在一定范围内调整，借此改变半固 态金属浆料或坯料的表观粘度，以适应不同铸件的成形要求。 ( 7 ) 利用半固态金属可以进行机械零件的近终形( n e t s h a p e ) 成形，可大幅度减 少零件毛坯的机械加工量，降低生产成本。 ( 8 ) 半固态金属浆料或坯料的充型温度低，减轻了模具的热冲击，提高了模具 的寿命。 ( 9 ) 加热半固态金属坯料比熔化金属炉料可节约能源2 5 , - 3 0 。 ( 1 0 ) 半固态金属成形车间不需处理液态金属，工艺操作更安全，工作环境更 优良。 f 1 1 ) 半固态金属的粘度较高，可以方便地加入增强材料( 颗粒或纤维) ，为 复合材料的廉价生产开辟了一条新途径。 ( 1 2 ) 半固态金属的成形应力显著降低，因此半固态金属可以成形复杂的零件 毛坯，降低成本，而铸件性能与固态金属锻件相当。 1 1 2 半固态金属成形的工艺 目前，半固态金属成形的工艺方法主要分两大类：流变成形( r 血e o f o m i n 曲和 触变成形( t h i x o f o r m i n g ) 。 1 1 2 1 半固态金属的流变成形 利用剧烈搅拌等方法制各出预定固相分数的半固态金属浆料，并对半固态金 属浆料进行保温，将该半固态金属浆料直接送往成形设备进行铸造或锻造成形， 这种成形过程称为半固态金属的流变成形。根据成形设备的种类，半固态金属的 流变成形又可分为流变压铸( 如图1 1 所示，采用压铸机成形) 、流变锻造( 采用 锻造机成形) 、流变轧制( 采用轧机成形) 、流变挤压( 采用挤压机成形) 等。 锻造机成形) 、流变轧制( 采用轧机成形) 、流变挤压( 采用挤压机成形) 等。 一2 一 东北大学硕士学位论文 第1 章半固态金属成形技术综述 图1 1半同态金属的流变压铸示意图 f i g 1 1 t h es c h e m a t i cp l a no f s e m i - s o l i dm e t a lr h e o d i e c a s t i n g 1 1 2 2 半固态金属的触变成形 利用剧烈搅拌等方法制各出球状晶的半固态会属浆料，将该半固态金属浆料 进一步凝固成坯料，再按需要将金属坯料分切成一定大小，把这种切分的固态坯 料重新加热至固液两相区，然后利用机械搬运将该半固态坯料送往成形设备( 如压 铸机、锻造机等) 进行铸造或锻造成形，这种成形过程称为半固态金属的触变成形。 根据成形设备的种类，半固态金属触变成形也可分为触变压铸( 如图1 2 所示) 、 触变锻造、触变轧制、触变挤压等。 图1 2、rj 刊态金属的触变乐铸示意图 f i g 1 2 t h es c h e m a t i cp l a no f s e m i s o l i dm e t a lt h i x o d i e - c a s t i n g 一3 一 盱 东北大学硕士学位论文第1 章半固态金属成形技术综述 1 1 3 半固态金属坯料的制各方法 半固态金属浆料的制备( 简称制浆) 就是采用一定手段使半固态金属浆料中 的固相以等轴状颗粒分布于液体中，是半固态成形的基础和关键，其核心是获得 均匀、细小的等轴非枝晶组织。制备半固态浆料的方法很多，具有代表性的有以 下几种。 1 1 3 1 机械搅拌法 机械搅拌法口】是最早采用的方法，其设备构造简单。它可以通过控制搅拌温度、 搅拌速度和冷却速度等工艺参数，使初生树枝状晶破碎成等轴的颗粒结构。根据 实验研究结果表明，采用机械搅拌法可以获得很高的剪切速率，有利于形成细小 的等轴晶组织，但是在搅拌腔内部往往存在搅拌不到的死区，影响了浆料的均匀 性，而且搅拌叶片的腐蚀问题以及它对半固态金属浆料的污染问题都会对半固态 浆料带来不利的影响，因此目前工业应用较少。 1 1 3 2 电磁搅拌法 电磁搅拌法( e m s ) p j 利用电磁感应力的作用，将液态金属在凝固过程中生长的 树枝晶破碎成颗粒状。从而获得细小的等轴晶组织。该工艺属非接触式搅拌，因 而克服了机械搅拌的缺点，具有金属液纯净，不会卷入气体，控制方便，并适用 于高温材料制备等特点，是目前工业上广泛应用的主要方法。e m s 法的不足在于 电能消耗较大，但效率较低，且设备较复杂。而且由于常规电磁力的贯穿深度限 制，通常，直径大于1 5 0 m m 的铸坯不宜采用电磁搅拌法生产。 1 1 3 3 应变诱导熔体活化法 应变诱导熔体活化技术( s t r a i n i n d u c e dm e l ta c t i v a t i o np r o c e s s ) ，简称s i m a 3 】。 就是先将由常规铸造所得的具有普通树枝晶组织的铸锭合金原材料进行足够冷变 形，然后加热到半固态。在加热过程中，先发生再结晶，然后部分熔化使初生 相转变为细小、均匀的非树枝晶组织。其关键在于坯料获得细小晶粒后接着加热 使晶粒边界熔化。该方法已成功地应用于不锈钢、铜合金等较高熔点合金，但由 于增加了预变形工序，使生产成本提高，生产效率较低，与电磁搅拌法相比，它 仅仅用于生产小直径坯料。 4 一 东北大学硕士学位论文第1 章半固态金属成形技术综述 1 1 3 4 近液相线铸造法 近液相线铸造法1 4 - ”是由东北大学与澳大利亚墨而本大学合作开发的新一代 制浆技术，即在液相线附近经保温静置后，并在一定的冷却速度下浇注而获得均 匀、细小的非枝晶半固态组织的一种方法。近液相线铸造过程中合金熔体温度低， 温度场均匀，在浇注过程中，大量的晶核在熔体中均匀产生，有利于细小、均匀、 等轴的晶粒组织的形成，且工艺简单、生产效率高，适用合金品种宽，现已成功 制备了7 0 7 5 、a 3 5 6 、1 1 2 和z l 2 0 1 等铝合金以及a z 9 1 d 和z k 6 0 等镁合金的半固态坯 料。 1 1 3 5 其它方法 除了以上方法，还有喷射沉积法( s p r a yd e p o s i t i o n ) ，简称o s p r e y 法【3 】、粉末冶 金法、单辊旋转法( s h e a r i n g - c o o l i n g r o l l i n g ) 隅】、转管法1 9 等，这些技术还不够成熟， 目前仍处于实验研究阶段。 上述十多种方法中，真正进入工业化应用的主要是e m s 法和s i m a 法，其他方 法虽各有特点，但亦各有其较大的局限性目前为止应用不广。 1 1 4 半固态金属成形技术在国内的发展状况 自从2 0 世纪7 0 年代初美国麻省理工学院开发出半固态成形技术以来，国内外 学者在非树枝晶坯料的制备方法、工艺与组织性能、坯料二次加热重熔工艺与组 织演变规律、半固态成形方法与技术，模具的特性研究、成形件的热处理强化工 艺与组织性能的变化以及二次加热温度场和成形过程的计算规模拟等方面进行了 广泛的研究，并已经连续召开了八次有关金属半固态的国际会议。目前，美国、 意大利、瑞士、法国、英国、同本等国家投入大量的人力、物力进行研究，有些 技术已进入了工业应用阶段。 我国的半固态加工技术起步较晚，开始于2 0 世纪8 0 年代后期，先后有很多高 校和科研机构开展了这方面的研究，如北京有色金属研究总院、东北大学、东南 大学、北京科技大学、中南大学、清华大学等，其中北京有色金属研究总院在国 家“8 6 3 ”计划支持下自行设计建立了一条半固态材料制备试验线。东北大学与澳 大利亚墨尔本大学合作采用液相线铸造法以铝合金2 6 1 8 、7 0 7 5 和z l 2 0 1 为例，对半 固态浆料的制备、半固态金属的成形性、热处理制度及成品件机械性能等方面做 了系统的研究，目前己进入工业应用技术的开发阶段。东南大学的朱鸣芳等人对 5 一 东北大学硕士学位论文第1 章半固态金属成形技术综述 z n a 1 合金的半固态加工成形性，半固态等温处理时对触变组织的影响作了大量的 研究工作。中南工业大学对喷射沉积，半固态挤压进行了研究。但至今我国还没 有具有一定规模的半固态技术生产厂家。 1 2 半固态金属触变压铸成形数值模拟的基本原理 近年来，数值模拟技术得到迅猛发展，已应用到国民经济的各个领域。在材 料的加工成形方面不仅应用到模拟计算流场、应力场和温度场，而且应用于材料 凝固过程、组织结构及性能的模拟和预报。 而半固态金属成形是一种新兴的金属成形技术。半固态金属浆料在压力下成 形的工艺过程比较复杂，因此半固态金属浆料充型过程的数值模拟技术发展较晚。 从2 0 世纪9 0 年代开始，国内外对半固态金属浆料充型过程的数值模拟技术进行了 大量的研究工作，并取得了一批研究成果。这些研究成果的采用，有助于优化半 固态金属成形工艺和模具设计及缺陷预测，进一步促进了半固态金属成形的研究 和应用。 采用计算机模拟技术，研究半固态坯料的制备、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。而对于半固态金属浆料充型 过程模拟研究，最重要的是研究半固态金属浆料的性质、选择合适的流变模型、 掌握相关工艺技术。 1 2 1 流体的类型 1 2 1 1 流体的粘度 在很小的剪切应力作用下，流体会连续不断的变形，但不同的流体在相同的 剪切应力下其变形速度是不同的，即不同流体抵抗剪切应力的能力不同，这种能 力称为流体的粘性，流体的粘性是流体本身的一种物理属性。对流体粘性研究， 一个最重要的结论就是把流动中流体的剪切应力与剪切应变速率联系起来。牛顿 最初由平行板间粘性流动的实验得到下式： k = ，7 盖 ( 1 1 ) 式中：f 。为x 方向上的切应力；吁为流体的粘度系数，也称粘度( v i s c o s i t y ) ， 单位p a s s , 为上平板相对下平板的流速；h 为两平板的间距。 吁取决于流体的种类、温度以及所受到的压力。对于工程中经常遇到的流体而 6 东北大学硕士学位论文 第1 章半固态金属成形技术综述 言，压力对粘度的影响可以忽略。 上式的通用形式为： 矿叩象吲 ( 1 2 ) 式中：户= i d u 为剪切速率。 彻 该式称作牛顿流动定律，即材料所受的剪切应力与剪切速率成正比。 1 2 1 2 流体的类型 根据流体的剪切应力与剪切应变的关系，流体可以分为 i o 】： ( 1 ) 牛顿流体o q e w t o u i a n f l u i d ) ：剪切应力与剪切应变速率符合式( 1 2 ) ，即符合 线性关系的流体。 ( 2 ) 非牛顿流体( n o n - n e w t o n i a nf l u i d ) ：剪切应力与剪切应变速率不符合线性关 系的流体。非牛顿流体又可分为： ( a ) 涨塑性流体( d i l a t a n tf l u i d ) ( b ) 伪塑性流体( p s e u d o - p l 船t i cf l u i d ) ( c ) 宾汉流体( b i n g l m mf l u i d ) 各流体的剪切应力应变曲线的示意如图1 3 所示， 图1 3 各种流体的剪切应力应变曲线 f i g i 3 t h es h e a rs t r e s s - s t r a i nc u r v eo f v a r i o u sf l u i d d i l a t a n tf l u i d ：n e w t o n i a nf l u i d ；p s e u d o - p l a s t i cf l u i d ；b i n g h a m f l u i d 从图1 3 观察到，涨塑性流体没有屈服应力，其特点是粘度随剪切应变或剪切 应力的增大而增大，它的流变特性与时间无关，属于剪切增稠型流体，也称为“剪 切增稠流体”，其剪切应力应变关系可由幂方程来表示。 7 一 东北大学硕士学位论文第1 章半固态金属成形技术综述 伪塑性流体也没有屈服应力，其特点是粘度随剪切应变或剪切应力的增大而 降低，故常称为“剪切变稀流体”，这类流体的流动曲线可以较好地由指数或幂 定律方程来表示。 宾汉流体与牛顿流体相比，既有相同之处，又有不同之处。相同处为剪切应 力应变曲线之间呈线性关系。不同处是宾汉流体的直线不通过原点，只有当剪切 应力达到一定值r ，后才开始流动，该f ，值称为屈服应力。剪切应力应变关系式为： f = f ，+ ，7 尹( 1 3 ) 1 2 2 半固态金属浆料的性能和数学模型 在通常的铸造条件下，当合金熔体的固相体积分数达到2 0 q o 时，合金熔 体的宏观流动性就己基本丧失。虽然此时的合金熔体中存在大量的液相，但合金 熔体中的固相晶粒己构成了空间骨架，阻碍了液相的流动，通常不将这种合金熔 体视为流体。然而对于特殊制各的半固态金属浆料来说，其部分凝固的固相晶粒 呈球状，即使金属浆料的固相体积分数高达5 0 - 6 0 ，在定的外力作用下，仍 具有很好的流动性。为了正确的描述半固态金属浆料这种独特的流动性，就需要 研究其流变行为，即流动与变形的规律，这正是半固态金属成形技术的基础之一。 实验表明，半圆态金属浆料的表观粘度是衡量其流变行为的重要指标。因此， 目前半固态金属浆料的流变行为研究主要集中在各种因素对其表观粘度的作用规 律及其理论模型。 1 2 2 1 半固态金属浆料的流变和触变性能及数学模型 实现半固态加工技术需对半固态金属基本物理性质作深入的研究，其中包括 半圆态非枝晶的形成机理，半固态金属的流变学性质，即固相分数，固相颗粒尺 寸、形态，固相颗粒间粘聚程度、金属浆料的粘度等内在变量，以及温度、切变 速率等外在变量对半固态金属流变行为的影响规律，得到流变模型，从而保证半 固态金属成形过程计算机模拟的准确性，为半固态金属加工提供理论依据。 半固态金属浆料的流变特性是指在外力作用下半固态金属的流动、变形性能， 它具有流体的一般特性。当金属液中固体体积分数大于5 0 0 - - 1 0 时。其流变行为呈 现非牛顿体型，在更高的固体体积分数( 5 0 - - - 6 0 ) 时，浆料呈非线性粘塑性，具有 宾汉( b i n 曲a m ) 流体的特性 1 l j 。可见半固态金属浆料属于非牛顿流体。 科学工作者对半固态金属浆料的流变行为进行了大量的科学研究，提出了许 多流交理论数学模型，下面分三个方面论述半固态余属浆料的稳态流变、非稳态 8 东北大学硕士学位论文第1 章半固态金属成形技术综述 流变和触变行为的理论数学模型 2 1 。 ( 1 ) 半固态金属浆料的稳态流变性能 半固态金属浆料的稳态表观粘度一般通过搅拌剪切获得，即一般从金属的液 相线温度以上开始搅拌并降温，直至预定的固相分数，然后保温和继续搅拌剪切 半固态金属浆料，半固态金属浆料的表观粘度则会不断下降；当搅拌剪切作用时 间很长时，一般需要剪切几十分钟，这时半固态金属浆料的表观粘度不再下降， 而是趋于一个稳定值，这个稳定值就称为半固态金属浆料的稳态表观粘度 ( a p p a r e n tv i s c o s i t yi ns t e a d ys t a t e ) ( a ) j o l y 和m e h r a b i a n 用简单的幂函数来描述s n p b l 5 合金在稳态下剪切变稀的 规律，即： r = 砂”。( 1 4 ) 式中：r 为半固态浆料的表观粘度：户为临界剪切速率；k 、g 为与固相分数 有关的系数。由上式可知，幂指数栉越小，伪塑性行为越明显，该方程也是推导其 它本构方程的基础。 ( b ) 王楠等人对半固态s n p b l 5 合金等温稳态流变行为提出下列关系式： 舭c - 燃+ c 2 警1 ( 1 s ) 式中：正为浆料失去宏观流动性时极限固相分数：c l 、c ：为与固相排列有关 的系数；彳为界面能，反映合金固相聚合倾向的强弱：】i ：l 为固相颗粒的平均尺 寸；丘为浆料中固相颗粒平均直径为瓦时的临界切变速率。 该模型考虑了固相颗粒在液体中流动时的流体动力学能量耗散( 方括号中的 第二项) 以及发生聚合时的粘塑性变形能量耗散( 方括号中的笫三项) 。 ( 2 ) 半固态金属浆料的非稳态流变性能 半固态金属浆料的稳态表观粘度一般都是在搅拌剪切几十分钟后才能获得， 而半固态金属的实际充填过程( 如半固态金属触变压铸、触变锻造等) 很快，往 往不n l s b p 可完成充填，采用稳态表观粘度来描述半固态金属浆料的实际充填流动 并不合适，而应当采用非稳态表观粘度来描述半固态金属浆料的实际充填流功状 态，因此，研究半固态金属浆料的非稳态表观粘度变化规律具有更重要的实际意 义。 半固态金属浆料的非稳态表观粘度就是指，在一定的固相分数下。对金属浆 料的剪切作用时间很短或有限，或从金属液相线温度以上开始连续冷却凝固，同 。9 东北大学硕士学位论文第1 章半固态金属成形技术综迷 时搅拌剪切半固态金属浆料，这时半固态金属浆料的表观粘度尚未达到稳态数值， 这个粘度值就称为半固态金属浆料的非稳态表观粘度。 ( a ) j o l y 等人最早根据标准的悬浮液模型，提出了如下的经验公式： r = a e x p ( z 狐)( 1 6 ) 式中：a 、b 为依赖于剪切速率和冷却速度的常数；，7 为半固态料浆的表观粘 度；f 为固相体积分数。 ( t t m a g 等人在研究s n p b t 5 连续冷却过程牢秸度变化对得出更精确舶公式： r ： 1 - 喜严轧( ，) 【1 + 掣掣川一( 1 7 ) 式中：工为临界固相分数；尹。( 正) 为临界剪切速率；m 、，z 、口为曲线拟合 参数；r 为半固态浆料的表观粘度。式中第一项解释稳态与连续冷却态粘度的差异。 ( c ) h i r a m i 等人根据早期悬浮液般模型，提出表观粘度与固相分数及微观组 织结构的关系式： 叶巧d s j z 】 ( 1 8 ) 式中：r ：为液相合金的表观粘度：z 为取决于冷却速度和剪切速度的临界固 相分数：d 、s r 分别为固相粒子的平均直径和比表面积( 粒子表面积粒子体积) 。 该式首次把微观组织特性与表观粘度联系起来。 ( ；) 半固态金属浆料的触变性能 从流变学定义可知，物体耢度对时间的依赖关系称为物体的触交往 ( t h i x o t r o p y ) 。触变性是某些物体所具有的流变特性。具有触变性的物体，当作用 在它上面的切应力一定时，其表观粘度会随切变时间的延长而下降，引起切变速 率的不断增加；或者当作用在它上面的切变速率一定时，其表观粘度会随切变时 间的延长而下降，引起切变应力的不断下降。但当除去切应力以后，物体的表观 粘度又会逐渐恢复到霖来豹数值。 实验表明，除了与剪切速率和固相分数有密切关系外，半固态金属浆料的表 观粘度还随时间而变化，即半固态金属浆料具有触变性。 对于半固态金属浆料的触变行为，其数学模型大多使用内部参数体系来表示。 从文献资料看，目前关于半固态金属浆料触变性的数学模型的建立还处于初步阶 1 0 东北大学硕士学位论文第1 章半固态金属成形技术综述 段，需要不断丰富，而且已有的数学模型也需要进一步完善。 综上可知，半固态金属浆料的流变及触变特性比一般流体更为复杂，试验验 证也存在许多困难，因此是研究不够透彻的一类流体。为此本文在铝合金半固态 触变压铸充型过程的数值模拟中，对其粘度模型作了简化处理，利用商业软件中 提供的流变模型进行计算。 i 2 2 2 半固态金属成形数值模拟的简化数学模型 虽然对半固态金属浆料的流变行为进行了大量的科学研究，提出了许多流交 理论数学模型，但由于实验条件的限制和半固态金属浆料流变行为的复杂性，大 多数学模型都不成熟，而且这些模型还处于不断的发展和完善中，还不能够正确 的描述半固态金属浆料性能，所以目前还没有一个统一和符合实际流动情况的数 学模型来描述半固态金属浆料的表观粘度。 现阶段对半固态金属成形过程的模拟大多立足于一些商业有限元或有限差分 软件平台( 如m a g m a s o f t 、f l o w 3 d 、p r o c a s t 、a n y c a s t i n g 软件等) ，利用这些软件 所提供的非牛顿流体模型进行模拟。但是这些商业软件提供非牛顿流体模型最初 都是针对高分子材料而提出的，并不能十分确切的描述半固态金属的流变和触变 性镗。但在一定条件下，仍可以采用这些已经成熟的经典的非牛顿流体模型来描 述。虽然利用这些简化的模型模拟结果尚不能完全解释半固态金属成形过程中的 一些现象，但对现阶段的实验和生产仍然具有一定的指导意义。 以下是商业软件中提供的较为常见的非牛顿流体模型1 1 2 】。 ( 1 ) o s t w a l dd ew a e l e 幂律模型 r = 抒”1( 1 9 ) 式中：k 为稠度系数，n s “m z ；行为流体特性指数，无因次，表示与牛顿流 体偏离的程度。此两参数表示各种材料的特性常数。 由此式可知，当, = 1 时，= k ，即k 具有粘度的量纲，此时流体为牛顿流体： 当，| 1 时表示剪切增稠，即涨塑性流体。 ( 2 ) c a r r e a u 模型 o - i 叩= + ( v 0 一巩) 1 + ( 2 d 2 ) 】2 ( 1 1 0 ) 式中：为零剪切率时的粘度；，k 为无穷剪切率时的粘度；丑为时间常数， 这一时间常数与弹性时间常数有密切关系：胛与幂律模型中的系数相同。 ( 3 ) b i n g h a m 模型 东北大学硕士学位论文第1 章半固态金属成形技术综述 此模型中有一屈服应力，仅当材料所受剪应力超过屈服应力时才会流动，而 b 古薯 1 2 3 压力铸造技术 压力铸造( 亦称高压铸造) ，简称压铸，是一种高效益、高效率的少、无切 削金属热加工成形工艺方法之一，是一种精密铸造方法。它是将熔融或半熔融状 态的金属注入压铸机的压室，通过压射冲头的运动，使金属在高压作用下，高速 通过模具浇注系统填充型腔，在压力下结晶并迅速冷却凝固形成压铸件。 高压力和高速度是压铸时熔融合金充型过程的两大特点，也是压铸与其他铸 造方法最根本的区别之所在。压铸时常用的压射比压在几兆帕至几十兆帕范围内， 甚至高达5 0 0 m p a ，充填速度在5 m s 7 0 m s 范围内；充填时间很短( 与铸件的大小、 壁厚有关) ，一般为0 o l s - - o 2 s ，最短仅有千分之几秒。此外，压铸模具有很高的 尺寸精度和很低的表面粗糙度。由于具有以上所述特点，使得压铸件的结构、质 量和有关性能、压铸工艺以及生产过程都具有自己的特征。 早期的典型充填理论主要有以下三种i l 叫： ( 1 ) 弗洛梅尔( f r o m m e r ) - 于1 9 3 2 年提出喷射充填理论，充填形态如图1 4 所示。 认为，金属液从内浇口处喷射至型腔最远端，撞击该处型壁后，部分金属聚积形 成涡流：另一部分金属则向所有方向喷溅，并沿型壁自远端向内浇口返回。金属 流的速度由内浇口截面积与型腔截面积之比值的大小来控制。液态金属以这种形 式充填压铸型腔时，在产生的涡流中，喷溅金属与后来金属汇合处便可能包裹气 体，这些气体最后滞留在铸件内形成气孔。 ( 2 ) 布兰特( b r a n d t ) 1 9 3 7 年提出全壁厚充填理论，填充形态如图1 5 所示。认为， 金属液从内浇口处开始，由后向前充满型腔的整个厚度流动，流动时不产生涡流， 因而不会包裹气体，型腔内的气体顺序地由内浇口起向前得到充分的排除。 ( 3 ) 巴顿( b a r t o n ) 于1 9 4 4 年提出三阶段充填理论，充填形态如图1 6 所示。认为， 充填过程是一个包含流体动力学和热力学以及流动因素的复杂过程，它大致分为 1 2 东北大学硕士学位论文第1 辛半固态金属成形技术综述 三个阶段。第一阶段是金属液按接近内浇口的形状进入型腔，首先撞击对丽的型 壁，并在该处沿型壁向型腔四周扩展，在型壁上形成铸件的外壳( 薄壳层) 。第 二阶段是随后进入的余属液沉积在薄壳层内的空间进行充填，直至充满。第三阶 段是在压力的作用下，型腔内的金属得到压实。 图1 4 弗洛梅j v ：( f r o m m e r ) 充填理论示意剧 f i g 1 4 f r o m m e rf i l l i n gt h e o r y 图1 5 勃兰特( b r a n d t ) 充填理论示意图 f i g 1 5 b r a n d tf i l l i n gt h e o r y 也正i f i f 、 图1 6巴顿( b a r t o n ) 充填理论示意图 f i g 1 6 b a r i o nf i l l i n gt h e o r y