（材料加工工程专业论文）lspsf法制备半固态a356浆料工艺参数的优化.pdf

ab s t r a c t ab s t r a c t t h e s e m i s o l i d a l u m i n u m a l l o y s l u r ry o f a 3 5 6 i s o b t a i n e d b y t h e l o w s u p e r h e a t p o u r i n g p r o c e s s w i t h a s h e a r f i e l d p r o c e s s ( l s p s f p r o c e s s ) . t h e o rt h o g o n a l e x p e r i m e n t i s u s e d t o d e v i s e t h e e x p e r i m e n t s i n o r d e r t o i n v e s t i g a t e t h e i n fl u e n c e o f t h e mi c r o s t r u c t u r e o f s e mi s o l i d s l u rr y , w h i c h i s e x e r t e d b y t h e p o u r i n g c o n d i t i o n 咖 u r i n g t e m p e r a t u r e ) a n d t h e b a r r e l h e a t e x c h a n g e c o n d i t i o n ( i n c l i n e d d e g r e e , r o ta t i n g s p e e d ) a n d i n t e n s i t y o f c o o l i n g . f i n a l l y t h e s e t e c h n i c a l p a r a m e t e r s a r e o p t i m i z e d . n u m e r i c a l s im u l a t i o n o f t h e f i l l i n g p r o c e s s o f t h e s e m i s o l i d a l u m i n u m a l l o y s l u n g o f a 3 5 6 w a s c a r r i e d o u t b y m e a n s o f t h e s o ft w a r e a n y c a s t i n g i n t h e r o t a t i o n al b a r r e l . t h e s e m i s o l i d a l u m i n u m a l l o y s l u rr y s d i s t r i b u t i n g o f t e m p e r a t u r e a n d t h e d i s t r i b u t i n g o f v e l o c i t y i n t h e r o t a t i o n a l b a r r e l a n d t h e i n fl u e n c e s o f t h e m i c r o s t r u c t u r e o f s e m i s o l i d s l u r ry e x e r t e d b y t h e s e t e c h n o l o g i c p a r a m e t e r s a r e a n al y z e d . t h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e l o w e r p o u r i n g t e m p e r a t u r e a n d t h e l a r g e r in c l i n e d d e g re e a n d t h e f a s t e r r o t a t i n g s p e e d i s a d o p t e d a s l o n g a s t h e s e m i s o l i d , al u m i n u m al l o y s l u r ry i s n o t s o l i d i f i e d . i n c a s e o f t h r e e p a r a m e t e r s a r e w e l l m a t c h in g , t h e e ff e c t i v e n u c l e a t i o n r a t e w i l l g r e a t l y i m p r o v e . a t t h e s a m e t i m e t h e s e m i s o l i d al u m i n u m s l u r ry i s s l o w ly c o o l e d i n t h e c r u c i b l e , t h e p e r f e c t m i c r o s t r u c t u r e c a n b e o b t a i n e d . t h e e x p e r i me n t r e s u l t s s h o w t h a t w e r e c e i v e d t h e b e s t m i c r o s t r u c t u r e o f t h e s e m i s o l i d al u m i n u m s l u rr y w h e n t h e r o t a t i n g s p e e d i s 6 0 r / m i n ， p o u r i n g t e m p e r a t u r e i s 6 6 0 0 c , i n c l i n e d d e g r e e i s 1 5 0 a n d t h e t e m p e r a t u r e o f t h e c r u c i b l e i s 5 0 0 c . k e y w o r d s : t e c h n i c al p a r a m e t e r s ; r h e o - f o r m i n g ; s l u r ry m a k i n g ; m i c r o s t r u c t u re ; nu me r i c a l s imu l a t i o n 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导 师指导下进行的 研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人己 经发表或撰写过的 研究成果， 也不包 含为获得 南昌大李 或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) : 签 字 日 期 : 、 夕 年 ” 分 日 学位论文版权使用授权书 本学 位论 文作 者完 全了 解 南昌大李 有关保留 、 使用学 位论 文的 规定， 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 权南昌大学可以 将学 位论文 的 全部或部 分内 容 编入 有关数 据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学 位 论 文 作 者 签 名 二): 4 1 ,i 、 导 师 签 名 (手 写 ):衫毗 态 签 字 眺 钾 介 三 ” 9 日 签 字 日 期 :卿 年 ” 12 1- 日 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 通讯地址: 电话: 邮编: 第 1 章绪论 第 1 章引言 1 .1半固态金属成形加工的概念 金属半固态 成形 ( s e m i - s o l i d m e t a l f o r m i n g / p r o c e s s i n g ， 简称s s f 或s s p ) 是 利用金属 在半固 态区具有良 好的流变特性而进行的金属成形工 艺， 是一种崭 新的 材料成形 技术，日益受到国内 科技工作者的重视， 并且部 分成果己 经在工 业上得到了 应用。该技术的主要技术核心是 能使固 一 液混合浆料或坯料获得非 枝 晶组织，固相必须球化和细化，合金组织一般包含有晶粒平均晶粒直径尺寸为 1 0 _ 1 0 0 1 4 n 的 球形晶 、近球形晶或者等轴晶。 这种组织的合金表现出非常小的流动阻力和良好的成形性能。与传统的全 液态金属 成形工艺相比，半固 态加工技术概括 起来有如下 特点 i 共 ( l ) 用途广泛，流变 铸造可以 直接成形，也可用于压铸、 挤压铸造、 模锻 成形和金 属型、 砂型铸 造。另 外， 还能精炼金属，制造复合 材料等; ( 2 ) 铸造过程中不需 变质处 理即 可获得均匀细晶组织，凝固收 缩少， 可实 现 近终形 加工， 并可通过热处理获 得优越的 机械性能; ( 3 ) 加工温度低，使成形 装置的 热负荷减轻，使模具寿命延长; ( 4 ) 半固 态金属粘度高，充 型时 无喷溅、 无湍流;冷却凝固时间 短， 可大 幅提高生产率; ( 5 ) 节 约原材料和能源，降 低生 产成本。 因此， 半固态加工技术 被认为 是 2 1 世纪最具发展前途的近净成形技术。 1 .2半固态技术的工艺路线 由 于半固 态金属浆料具 有流变 性能和触变性能，因此， 根据半固 态金属的 这种特性分为触 变成形和流变成形两条技术 路线。 如图1 . 1 所示， 触变成形 工艺 是在先获得半固 态浆料后， 将其进一步凝固 成坯料 ( 通常采用连铸工艺) ，根 据 需要将坯料切分，把切分的坯料重新加热至固一 液两相区形成半固态坯料，利用 这种半固态坯料 进行加工成形 3 j . 流变成形工艺是 在金属凝固 过程中， 通过施 加 搅拌或 扰动、 或改 变金属的 热状态、或加 入晶粒细化剂等手段，改变 合金熔体 的 凝固 行为， 获得一种液态金属 母液中均 匀地悬浮一定球状初生固 相的 固一 液 混 第 1 章绪论 与各种因素的影响、初生相球化机制等在理论上作了深入的研究，这将为半固 态材料加工成形技术的更加完善提供了必要的理论基础。 国内开展半固态研究比较晚，我国与 7 0 年代后期开展了半固态金属成形技 术的研究与欧美等国相比，我们在半固态加工的研究与应用方面还有相当大的 差距。随 着计算 机、 汽车、 通讯、 航空航天等行业的蓬 勃发 展， 半固 态金属 加 工技 术在2 1 世纪 将具 有广阔的发展前景。 我国的 科技工 作者必须加强半固态 材 料及加工设备的研究 与应用工作，大 力推进 半固 态加工技 术的发展。 目前，半固态成形技术还没有进入大规模商业化生产阶段，但是我国不少 高 校和科研机构也 进行了半固 态材料 和加工 基础理论的 研究， 9 0年代以 后北京 科技大学、中科院金属研究所、东南大学、中国有色金属研究总院、东北大学、 哈尔滨工业大学、 南昌 大学等单位在有色金属及 合金等低熔点材料半固态加工 和钢铁等高熔点材料的液芯轧制、连铸连轧、固一 液轧制等广义半固态加工方面 进行了 研究。 到目前为止， 东南大学的朱鸣芳等对 z n - a i 合金半固态成形性、 半 固态等温处理对触变组织的影响做了 大量的 研究工作。 东北大学和澳大利亚墨 尔本大学合作采用液相线法对变形铝合金的半固态浆料的制备、半固态压缩变 形特性、半固态金属成形性、半固态模锻工艺、热处理机械性能做了系统的研 究。中国 有色金属研究 总院 在国 家 “ 8 6 3 ” 计划的支 持下自 主设 计了 一条半固态 材料制备的试验线。南昌大学半固态研究室也对铝合金半固态浆料制备、半固 态流变和触变成形性进行了研究工作。另外，清华、哈工大、中南大学和西北 工大等单位分别就半固态处理过程的组织演化、流变特性、触变成形等开展了 一些试验和数值模拟方面的研究工作。 为了深入开展半固态金属加工技术的研究，并促使该技术向产业化、商品 化转化，目 前半固态 金属加工技术应该在以 下 几个反面进行 探讨和研究3 0 ,3 1 1 、着重分析半固态浆料非枝晶组织的形成与演化规律，应进一步精确认识 和描述半固态金属浆料的结构和特性. 2 、 研究半固态 金属成形过程中的微 观机理， 尤其是 符合实际成形 过程中的 动态组织性能研究，以 便获得组织与 性能符 合要求的成形 件。 3 、 研究半固态 金属加 工过程中的计 算机应用和自 动 化控制，确保 工艺 可靠 性 。 第 章绪论 1 .6课题研究的 意义、 目的 和主 要内 容 1 . 6 . 1课题的依据和竞义 目前，从半固态成型工艺技术角度来看，流变成形技术的优势日渐凸现， 半固态流变成 形技术越来越受到 重视，如何缩短工艺流程， 采用流变成形工艺， 开发低能耗、低成本的近终成形工艺是目前半固态材料成形技术中一个重要的 课题。而制备高质量浆料工艺是所有半固态加工工艺的前提条件，而微观组织 形貌是表征半固态浆料质量的主要标准。 剪切低温浇注式半固态浆料制备工艺由南昌 大学开发 成功。该工艺主要包 括三个步骤: 浇注具有特定过热 度的合金液; 合金熔体 在自 身重力和输送 管转动共同作用下流经输送管，合金 熔体经输送管出口的 温度控制在 合金液相 线附近; 具有大量自由 晶的合金 熔体在浆料蓄积器中 静态缓 慢冷却。该工艺 可以 连续地提供高质量的半固态浆料，并 通过浇注机构实 现半固 态浆料的连续 性直接 成形， 在国内 外尚属首 创 3 2 ,3 5 , 3 6 1 近年来，随着计算机技术迅速的发展而出 现的 计算机数值 模拟技术为金属 凝固成形加工过程的研究提供了新的研究手段，也开创了金属凝固的新局面。 利用计算机数值模拟技术不仅可以 获得金属凝固 加工成形不同时刻的温度场、 流场、引力场分布以及显微组织的变化规律，还可以预测与防止宏观与微观缺 陷的产生。对实际的生产具有现实的 指导 意义3 3 1 。利用计算机模拟技术来研究 转动输送管制浆过程，有助于了解输送管内半固态浆料的流动状况、温度分布， 从而加深了 解浆料制备过程的形 核方式、初生晶的演变规则和掌 握 l s p s f 工艺 制备高质量半固态组织的工艺条件。同时，通过数值模拟技术可以进一步优化 工艺参数，获得理想的微观组织。 1 .6 .2 本论文的 研究内 容 本文是国 家自 然科学基金项目“ 流变成形中 浆料的微观结构控制和演变机 理研究”( 5 0 4 7 4 0 0 7 )的 重要组成 部分， 主要内 容包括: ( 1 ) 以a 3 5 6 合金为研究对 象，应用自 主开发的半固态 浆料制备装置，研 究浇注条件中 浇注温度、 输送管控制参数 ( 包括: 倾斜角度、旋转速度)以 及 冷却强度对l s p s f 半固 态浆料组 织的影响，通过简单比较法和正 交实验法来设 计实验，通过对实验结果的分析，得出获得高质量细小球晶组织的最佳工艺参 第 i 章绪论 数优化的结果。 ( 2 ) 通 过 铸 造 仿 真软 件a n y c a s tin g 对 l s p s f 法 制 浆 工艺 中 输 送 管 中 的 熔 体进行三维热流祸合场模 拟，研究了 不同输 送管转 速、 倾角、浇 注温度以 及预 热温度下合金熔体的温度 场和速度场分布状况，分析了 这些工艺参数 对半固 态 组织形成和演变的影响。 第2章l s p s f法制浆设备与工艺参数优化 第2章l s p s f法a 3 5 6 制浆设备与工艺参数优化 本章主要介绍实验装置、实验方法等。实验装置主要有:熔炼装置、测温 装置、浇注系统、输送管装置、速度控制系统等组成。实验方法主要介绍:合 金精炼、金相分析、试验设计。 2 .1试验条件及试验方法 2 . 1 . 1 试验设备 基于开发设备简单、能耗低、生产效率高的流变制浆工艺为出发点，南昌 大学半固态成型技术研究室开展了 l s p s f 法流变制备半固态浆料工艺的 研 究，并己开发出 成熟制浆设备和工艺。该装置 主要由 熔炼炉、 保温炉、 输送 管、 结晶炉、 结晶 器、 温度控制系统等 构成。 保温炉及结晶炉 其功率 均为2 k w. 采用温 度控制 系统控制 温度， 其控温精度可 达到士1 *c . 2 . 1 . 1 . 1熔炼装置 本实验熔炼炉采用的是功率为 s g 2 - 6 - 1 2型 6 .3千瓦的立式电阻炉。温度测 量采用与温度显示仪表分度号相匹配的镍铬一 镍硅热电偶，它是利用热电效应的 性质测温.整个熔炼装置如图2 . 1 所示: 1 . 6 . 3 k ， 的 立式电阻炉 2增涡 3 . 热电偶4 . 数 据线 5 . 温 度控制系统 图2 . 1 熔炼装置图 2 . 1 . 1 .2测温装置 镍硅一 热电偶由以下部分组成:由两种不同的合金 ( 镍铬、镍硅)组成的热 第 2 章l s p s f 法制桨设备与工艺参数优化 电偶、接线板、引出导线连接记录器。该热电偶适合在氧化性气氛中工作，而 且温度与热电势的关系近似直线。其缺点是热电势的稳定性和热电极的均匀性 不如贵重金属热电偶。与热电偶相连的温度记录器为k x d - k可控制器， 量程为 0-1 2 0 0 0c ， 灵敏度为士 v c ，该 仪表可设置保温温度。 2 . 1 . 1 . 3 l s p s f 法半固态制桨 实验装置 半固态制浆实验装置由浇注系统、输送管、结晶器等组成。浇注系统是由 浇嘴和浇包组成， 其流量可以 通过浇包中的开关进行控制。 在制浆的过程中， 输送管是整个装置最为关键设备，它配有温度控制系统 ( 加热单元和冷却单元) 和调速系统 3 4 - 3 6 1 。 结晶 器是 对含有大量自 由晶的 合金溶体 进行缓慢冷却的装置， 主要整个装置如图2 . 2 所示: 浇嘴 1 .浇包2 . 浇嘴3 .输送管4 .结晶器 图2 . 2 l s p s f 法半固态制浆实验装置 2 . 1 . 2试验方法 2 . 1 . 2 . 1 凝固温度与固 相分数的确定 a 3 5 6 为多 元合金 没有现成的 相图， 用实验的方 法确定温度与固 相分 数的 关 系比 较困难，需要进 行大量的实验。 本文采用杠杆定律 和 s c h e i l 方 程来近似计 算凝固温度与固相分数的关系，而 s c h e i l 方程描述了固相无扩散，液相均匀混 合条件下的结晶温 度与固 相分数的 关系3 7 ,3 8 1 。 杠杆定 律和s c h e i l 方程 可分别用下 式 ( 2 . 1 )和 ( 2 .2 )表示 : .f s = 1i ( k - 1) (t i t ) i ( t - t ) ( 2 .1 ) .f , = 1 - ( t . - t a t . - t la 4 (k - ( 2 .2 ) 第2 章 l s p s f 法制浆设备与工艺 参数优化 式 中 :f s 一固 相 分 数 ; k - 溶 质分 配系 数 ; t i 一 合 金 液 相 线 温 度 ; t m 一 纯 铝 熔 点 ;t 一合 金 熔体 温度 . 2 . 1 . 2 . 2金相试 样制备 用样勺从半固 态浆料储料器中 取样， 迅速到 入水中 进行水淬，取出样品制 成 1 o x1 0 xi o m m试样，经 s i c金相砂纸从 2 4 0 # . 4 0 0 # . 6 0 0 # . 8 0 0 # 及 1 2 0 0 # 进行打磨后，进行标准抛光和腐蚀。抛光材料采用金刚石喷雾研磨剂，粒度大 小为0 . 5 1 # n . 腐蚀剂采用5 % h f腐 蚀溶液 进行腐蚀， 腐蚀时间 约为1 0 - 2 0 s a 2 . 1 . 2 . 3金相观察 用z e i s s 型金相 显微镜观察显微组织， i m a g e p r o p l u s 5 .0 . 1 金相分 析软 件分 析微观组织形貌。 2 . 1 . 2 . 4初生相的形貌 参数 ( 1 ) 圆整度: 初生a 相的颗 粒的圆整 度 ( p a rt i c l e r o u n d n e s s f ) ， 也叫 做 形状因子定义为:f = p 1 4 1 m, a 是初生a 相颗粒的横截 面积，p 为 初生“ 相 的颗粒的周长。对于理想的球状颗粒，其颗粒圆整度等于 1 ， 而不规则颗粒的圆 整度远远大于1 .为了 保证工艺的稳定性，f - 2 a ( 2 )晶粒尺寸指标:半固态浆料的粘度随晶粒尺寸的减小而降低。虽然对 晶粒尺寸尚无决定性的上限要求，一般地，流变成型要求平均晶粒直径尺寸小 于i o o n m 3 o b n o ( 3 ) 相率指标: 根据流 变学理论， 半固态浆 料的粘度随固相率降 低而降 低。 研究表明，固 相率在0 . 2 - 0 . 6范围内 ，半固态 浆料具有良 好的触变性。 2 . 1 . 2 . 5试验设计 试验设计是数理统计学的一 个重要的分支。 多数数理统计方法主要用于分 析已 经得到的数据，而试验设计却是用于决定数据收集的方法。 试验设计方法 主要讨论如何合理地安排试验以及试验所得的数据如何分析等，常用的试验设 计方法 有:正交试验设计法、均匀试验设计法、 单纯形优化法、 双水平单纯形 优化法、回归正交设计法、 序贯试验设计法等。 可供选择的试验方法很多，各 种试验设计方法都有其一定的特点。 简单比较法设计的优点是实验的次数少， 但必须指出， 简单比 较法方案的 试验结果是不可靠的，因为实验中因素的 水平是随意的， 故在此方法中数 据点 的分布的均匀性是毫无保障的，用这种方法比较条件好坏时，只是对单个的试 第2 章 l s p s f 法制浆设备与 工艺参数优 化 验数据进行数值 上的简单比 较， 不能排除必然存 在的 试验数据 误差的 干扰。 正 交 试 验 设 计 ( o rt h o g o n a l e x p e r im e n ta l d e s ig n )是 研 究 多 因 素多 水 平 的 又 一种设计方法， 虽然只做多因素多水平试验中的一部分，但能相当好地反映 全 部试验可能出 现的各种情况，以 便于从中选出较好的方案。它是根据正交 性从 全面试验中 挑选出部分有 代表性的点进行试验，这些有 代表 性点具备了 “ 均匀 分散， 齐整可比” 的特点。 通过正交试验法所 特有的 科学分 析方法，用这 少数 试验所获得试验数据，可推导出有说服力的正确结论。正交试验设计是分式析 因设计的主 要方法。是一 种高 效率、快速、 经济的实验设计 方法 3 9 , 4 0 1 用正交 表安排多因素 试验的方 法，称为正 交试验设计 法。 其特点 为: 完 成试验要求所需的实 验次 数少; 数据点的分布 很均 匀: 可用相应的 极差 分析方法、方差分析方法、回归分析方法等对试验结果进行分析，引出许多有 价值的结论。 2 . 1 . 2 .6试样质量评 价方法 利用显微分析系统对所获得的微观组织图进行显微分析，得到晶粒平均直 径及形状因子等试 验数据。 根据所获得的 数据进行正交分析， 选取最佳的 工艺 参数。 2 .2试验材料的选择 从合金的凝固特征考虑，过共晶 a 1 - s i 合金在凝固中先析出粗大板片状 s i 相，达到共晶温度时形成 ( a + s i )共晶体。因此，改善初生晶形貌并细化初生 晶s i ， 同时获得一定量的球化初生。相半固态组织相对较难。而亚共晶a 1 - s i 合 金的平衡组织由初生。相和 ( a十 s o共晶体组成， 用一般半固态合金制备方法， 可以有效地控制初生相的形态、尺寸、数量和分布，获得预期体积分数的球状 组织。亚共晶 a 1 - s i 合金是应用最广泛的铝合金。 另外， 在l s p s f 法 制浆工 艺中， 合金液 控制在液相线以上 某个 温度 ( 接 近 液相线) 进行浇铸， 进入结晶器时的熔体温度处于液相线附近.若该合金 液的 液一 固相温 度区间 越大， 在输送管内受到 激冷作用的时间 越长， 所生 成的 晶核也 就越多， 则该工艺 效果也就 越显著。 本课题研究 采用的 材料为亚共晶合金a 3 5 6 o 属a i - s i - m g 系 合金， 其固 相线温度为5 7 2 1 c , 液相线温度为6 1 4 0; 半固 态区 温 度范围为4 2 c， 半固 态区间比 较大， 适合于 半固 态加工， a 3 5 6 合金化学成分 如 表 2 . 1 所示。 第 2 章l s p s f 法制浆设备与工艺参数优化 表 2 . 1 z l 1 0 1 合金化学成分 ( w t % ) 成 分s i m g f e c u a i 含量( wt %) 0 .2 90 . 9 70 .9 59 0 .7 4 2 .3 l s p s f 制浆工艺装置及流程 l s p s f 法半固态浆料制备工艺装置 如图2 . 2 所示， 其工艺流程为: 实验前 准 备工作电 阻式加热炉内 进行熔炼一浇注输送管搅拌半固 态浆料在结晶 器 冷却。 2 . 3 . 1实验前准备工作 为了能促进合金液的非均匀形核，需要输送管内表面提供非均匀形核基底， 要求合金液对输送管内 表面的润湿性能较好。因此，要求输送管内表 面具 有一 定的粗糙度，可以在输送管内表面涂刷一定厚度涂料。在实验之前，需要对温 控系统进行调试 ( 加热单元和冷却单元) ，使输送管维持在实验所需温度，同时 调节好输送管倾角和伺服电机马达，使输送管达到预设的输送管倾角和转速. 2 . 3 . 2合金熔炼与浇嘴的预热 首先将a 3 5 6 合金放置在干净的 柑祸中， 用s g 2 - 6 - 1 2 型6 . 3 千瓦立式电 阻炉 对合金熔炼。当合金熔化并保温一定时间后，用六氯乙烷进行精练，除去金属 液中的 废渣。 为了防 止常温浇嘴引 起浇包流出的 合金熔液发生 温降，需要对浇 嘴进行预热。 2 . 3 . 3浇注 把精炼后的 合金熔液倒入浇包， 用热电 偶测量合金熔液温度，当合金熔液 温度达到要求的温度时，打开浇包上的开关进行定量浇注. 2 .3 .4桨料 冷却 合金液从 输送管出口 流出 后， 进入浆料蓄积器 ( 结晶器)中，此时要对半 固 态 合 金 浆 料 进 行 缓 慢 冷 却 ， 待 其 达 到 所 需固 相 率 后 ， 进 行 水淬 取 样 14 1,42 1 第2 章 l s p s f 法制浆设备与工艺参数优 化 2 .4 l s p s f 法在制备半固 态桨料试验的 设计 2 . 4 . 1 工艺参数的选取 在l s p s f 工艺过 程中， 制备高质量浆料的关 键是 熔体流经 输送管5 s 左右的 组织形成和 演化机理3 2 1影响 转动输送管 制备 半固态 浆料工艺的 参数 有: ( 1 ) 浇注条件，分别为浇注温度 ( 合金液成分和过热度) 、浇注速度、合金液流量: ( 2 ) 输送管换热条件和搅拌混合强度，分别为输送管预热温度、输送管转速、 输送管倾角、管径、管长和输送管内表面质量;( 3 )结晶器冷却强度，包括结 晶器材质和预热温度。 2 . 4 . 2实验的设计 试验主要考察了 浇注温度、 转 速、 倾角和结晶 器冷却强度 4个主要工艺 参 数对初生a相形貌和生长的影响。按照s h e l l定律，将水淬温度定位在 6 0 0 c, 对应的固 相率约为3 5 % 左右4 3 1 。利 用光学显微镜观察不同工 艺条件的金相 试样 显微组织， 用图 像分析仪分析半固 态浆料的质量， 主 要指标包括: 形状因子f 和 平均晶粒直径尺寸do 2 . 4 . 2 . 1 浇注温度对 合金微观组织的影响 浇注温度是影响合金组织的重要因素，根据 l s p s f工艺的特点，采用比常 规浇注较低的 浇注温度 ( 熔体的 过热度较小)， 根据液态金 属结晶的 热力 学条 件，结晶的驱动力来自于液、固两相的自由能之差，差值越大，结晶驱动力也 就越大， 越容易结晶形核。 但试验证明在温度低于 6 4 0 0 c 浇注时，由于温度太低， 熔体的粘度过大，合金会在输送管内表面快速冷却并形成结皮，所产生的游离 晶核停留 在斜管中 ，不能够随着熔体进入到结晶 器中，影响 制备过程。 温度高 于6 8 0浇注时， 合金组织主要 是粗大的树枝晶和蔷薇 状枝晶 组成 . 当输送管转速为 9 0 r / mi n 、 结晶器预热温度为5 0 0 0c、 倾角为2 5 。时随着浇 注温度的降低， 合金初生a 相的凝固形态逐步发生显著的 变化，不同浇注温度 下各试 样心部的 显微组织，如图2 . 3 ，白 色区域为初生相， 深色区域为 共晶 相。 当 浇注温 度为6 8 0 时， 由 于转动输送管的 搅拌 作用和激冷作用， 形核位置 和数目 相对增多，有利于形成等轴的或蔷薇状的初生a 相， 多呈现粗大的蔷薇 状枝晶，并伴有少量的初生枝晶臂和一些脱落的粒状或者球状初生a相，而且 数目也比较少，如图 2 . 3 a所示。当浇注温度为 6 6 0 时，由于大部分枝晶臂断 第3 章 l s p s f 法制备a 3 5 6 半固态浆 料过程数值模拟 第3 章 l s p s f 法制备a 3 5 6 半固态浆料过程数值模拟 3 . 1前 言 本章主 要介绍通常铸造过程中 所用到的流场、 温度场数学及模型及模 拟分 析的 初始条 件与 边界条件的处理， 接着介绍铸造过程中所用的 模拟的假设 及数 学模型。最后介绍输送管建模、数值模拟前处理和后处理以及模拟结果分析。 3 .2数值计算的一般过 程及处理方法 数值计算求解实际问 题的一般步骤大致分为 4 7 1 : 分析实际问题，建立能放 映 此问 题的 物理模型: 根据物理 模型，找出支配过程的主要参数并建立能描述 实际过程的基本方程或数学模型;寻找说明实际过程的各项单质性条件;将基 本方 程所涉 及的区 域在空间 上和时间上离散处理 ( 网格划分)， 使之形成一系 列的 微小单 元或节点; 在所有单元 ( 节点) 包括内 部 ( 单元) 和边界单元 ( 节 点) 上建立由 基本 方程及定 解条 件转换而来的数值计算方程组;选用适当的计 算方 法求解此方程 过程编制成可供计算机执行的程序， 求得 计算结果;对计算 结果作适当处理己得到我们所需要的各种数据、图形或其他文件。 有限差 分方法 ( f d m) 是计 算机数 值模拟 最早采 用的方法，至今仍被广泛 运用。 该方 法将求解 域划分为 差分网格， 用有限 个网 格节点代 替连续的 求解域。 有限 差分法以t a y l o r 级数展开 等方法，把控制方 程中的导 数用网 格节点上的函 数值的差商代替进行离散，从而建立以网格节点上的值为未知数的代数方程组。 该方法是一种直接 将微分问题变为代数问 题的 近似数值解法，数学概念直观， 表达简单， 是发展较早 且比 较成熟的 数值方法4 8 ,4 9 1 有限体积法 ( f i n i t e v o l u m e m e t h o d )又称为控制体积法。 其基本思路是: 将计算区域划分为一系列不重复的控制体积， 并使每个网格点周围有一个控制 体积;将待解的微分方程对每一个控制体积积分，便得出一组离散方程。其中 的未知数是网格点上的因变量的数值。 为了 求出 控制体积的积分，必须假定值 在网格点之间的变化规律，即假设值的 分段的 分布剖面。从积分区域的选取方 法看来，有限体积法属于加权剩余法中的子区域法;从未知解的近似方法看来， 有限体积法属于采用局部近似的离散方法。简言之，子区域法属于有限体积发 第3 章 l s p s f 法制备a 3 5 6 半固态浆 料过程数值模拟 的基本方法 5 0 - 5 1 3 .3充型过程流体力学方程及定解处理 3 .3 . 1 流体 动力学 基本 控制 方 程152 - m 1 流体流动要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括:质量守恒定律、 动量守恒定律和能量守恒定律，任何流动问题都必须满足质量守恒定律。该定 律可表述为: 单位时间内 流体微元体中质量的增加， 等于同一时间间隔内流入 该 微元体的净质量。 按照这一定 律， 可以 得出质量守 恒方程 ( m a s s c o n s e rv a t i o n 阅u a t i o n ) : a p. 宁 at a ( p u ) 十 a ( p v ) a x a y 十 a ( p w ) = 。( 3 . 1) 式 中 :p 一 密 度: u . ， 和w 一速 度 适量 矢 量 在x . y 和z 方 向 的 分 量。 3 . 3 . 1 . 1动量守恒方程 动力量守恒定律也是 任何流动系统都必须满足的基本定 律。该定律可表述 为:微元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力 之 和 。 该 定 律 实 际 上 牛 顿 第 二 定 律 。 按 照 这 一 定 律 ， 可 导 出 x , y 和: 三 个 方 向 的 动 量 守 恒 方 程 ( m o m e n tu m c o n s e rv a t io n e q u a t io n ) : a ( p u ) . 二 . _ 二 、 _ op . a r -， a r , . a z a . 。 一二 丁 一 下 - k 尸 “ “ 少 一 一 下 下 下 ， 二一 下 一 百一 丫- 丈 一 ， , . o r o x o x砂 d z ( 3 . 2 a) 助-即助-由 a ( p v ) a t + a t+ a r+-a + ri +( 3.2 b) a ( p w ) a t + d i v ( p v u ) = - + d i v ( p w u ) = - a x a z a 十 a x a y at, . 。 ， 尸 滋 . a z a r ,z . a 、 . 。 ， 尸j 、 a y a z ( 3 .2c ) 式中 : p 一流 体 微 元 体 上的 压 力; 、 r te , 和r . 等 一因 分 子 粘 性 作 用 而 产 生 的 作 用 在 微 元 体 表 面 上的 粘 性 应 力 r 的 分 量 ;f . f ,和f - 微 元 体 上 的 体 力 3 . 3 . 1 . 2能量守恒方程 能量守恒定律是包含有热交换的流动系统必须满足的基本定律。该定律可 表述为: 微元体中能 量的 增加率等于进入微元体的 净热流量加上体力与面力对 微元体所做的功。 该定 律实际是热力学 第一定律。 按照这一 定律可得到以 温 度t 为变量的能量守 恒方程 ( e n e r g y c o n s e rv a t i o n e q u a ti o n ) : 第3章l s p s f 法制备a3 5 6半固态浆料过程数值模拟 dt p c v 言= - o q , -t (at ), w 一 ， + : : o v , ( 3 . 3 ) 式 中 : q一定 容比 热 ; t - 温 度 ， 9 j 一 热通 量 ; s v 一剪 切 应 力 张 量( 也 称 偏 应 力 张 量):件 一速 度 分 量。 3 .3 . 1 . 3体积函 数方程 a f a f a f a f a t产 a x 十 ” -+ w -= uay a z ( 3 . 4) 式中:f一流体体积积分数 3 . 3 . 1 . 4传质连续方程 a f + a (p a ) = 。 a t a x , ( 3 . 5) 式中: 3 . 3 . 1 . 5 p 一为密度:p 一速 度 边界传热方程 - k v t n 一 h * f ( t ) * g ( t ) t - t , h - 5j 流 换 热 系 数 : t - it t界 温 度 : g ( 劝 - ra 度 函 数。 ( 3 . 6) 式中 3 . 3 . 2初始条件和边界条件 求解流体力学问 题， 除了以上基本方程组外，还需要给出边界条件和初始 条件以便得到惟一的解。 3 .3 .2 . 1 初始条 件 初始条件只有在求解非定长流动时才需要， 也就是要给出 初时时刻的 速度 分布和温度分布等。在铸造充型过程中，由于金属也充填型腔的过程时非定长 流动，因此，需要初使条件才能完成金属流动速度和压力场的求解过程。如果 在 求解流场时祸 合温度场计算， 则还需要给出初始的 稳定场分布。 3 .3 .2 . 2边界条 件 边界条件指流体在运动的边界上运动参数应该满足下列条件， 流体流动 过 程中 经常 遇到的 边界 条件有: 固 壁界面条 件，当 粘性流 体流过不动的固体壁面时， 其法向速 度应当为 零， 并且 法向 速度也 等于 流体零。 此为无粘附条件或称为 无滑移条件。 当固体壁面在流体中运动时，粘附于固体壁面的流体介质的速度等于固体 第3 章 l s p s f 法制备a 3 5 6 半 固态浆料 过程数值模拟 壁面的速度。 当固体壁面时多孔介质时，有流体穿越壁面，则切向速度为零，而法向速 度等于流体穿过 壁面的速 度。 温度边界条件，则是需要给出固体壁面上的 温度。 通常 认为与固体壁面 接 触的流体质点于固体壁面上的温度相同。 液一液及液一气界面条件，如果两种介质交界面互不渗透，而且有不满足 不发生分离的连续性条件，则在交界面法向 速度相等。 对于 粘性流体的两 种介 质交界面处，切相速度和 温度也 应该相等. 而在理想流体中 交界面处切 相速度 和温度可以不相等。 在自由表面处的边界条件，自由表面是气一液两相介质交界面，气力学边 界 条 件 为 : 如 果 气 体 介 质 具 有 常 值 压 力 为p o ， 则 应 力向 量的 法向 和 切 相 分 为 符 合 : p . =p o ， p . = 0 0 3 . 3 . 3紊流模式基本理论 流动现象常常具有两种不同的形态:层流和紊流，两者有着本质的不同。 层流是流线平滑而有层次的流动，仅在低雷诺数和中等雷诺数下才会发生。而 紊流是在不规则的随即运动，流体质点有强烈的参混作用，耗费了大量的能量， 流动阻力显著增大。这两种流体运动状态在一定条件下是可以相互转变的:当 雷诺 数r e 小 于 某 一 数 值 ( 临 界 雷 诺 数r e , ) 时 ， 流 动 呈 层 流 流 动; 当 雷 诺 数 高 与 某 一 值 ( r e , ) 时 ， 呈 现 紊 流 状态 。 由于 紊流具有不规则型， 无法用时间和空间坐标的函数来描述每一点的运 动， 但并不 是无规律可循的， 可采用概率的方法来表示。紊流的各种物理量随 时间 和空间 表现出 的随机变化， 其统计平均值遵循着一定的力学规律. 应 用统 计平均法， 可以 表示各种变量， 如速度、 压力、 温度等不同平均值，使得 对紊 流运动运用数学描绘成为可能。 3 . 3 . 3 . 1 紊流运动 基本方程 一 雷诺方程 虽然紊流运动具有不规则性和无规则性， 但它并 不引 起流体粘性的改 变， 连续性性质也 不破坏， 因此 紊流运动的瞬时 规律仍然可以 应用n - s 方程来描 述。 在紊流方程中 采用时均化模 型， 然后再对不 可压缩流体 n - s方程和连续性 方程 进行一次平均，建立了紊流运动时均值方程式: 第3 章 l s p s f 法制备a 3 5 6 半固态浆料 过程数值 模拟 ( a u 一a u , 。，a p , 。 r8 u ， 一 、 门 代了 十u ,-i =p aj - ,: 一 十-i 产二一 一pu i u, i 戈“， )o x , o x , 气 “， 少 ( 3. 7 ) 式 中 : u , 和u ; -x ; 和x i 方向 上 的 时 均 速 度; 戈一单 位 质 量 的 质 量 力 在x , 方 向 上 的 分 量。 在 方 程中 增 加 的p u ,u 为 紊 流 应 力 ， 时 流 体 微 元 上 产 生 的 附 加 紊 流 应力。 3 .3 .3 .2紊流模型 在雷诺时均方 程中， 有 1 0 个未知量， 但雷诺 方程与 连续方程联立，只 有 4 个使一个非封闭的方程组。为了让方程组封闭，工程对这些瞬时脉动量相关项 提出了各种半经验假设作为补充方程。这种以半经验关系式使紊流方程式封闭 的理论，称之模式理论。而各种半将经验方法成为紊流模型。根据方程数不同， 构成了零方程模型 、一方程模型和x - 双方程模型。 3 . 3 . 3 . 3充型过程紊流的模拟 紊流模拟采用的数值模拟计算方法大致可以分为三类: 1 、 完 全模拟。 这是用非稳态的方程n - s 紊流进行计 算， 无须引入 任何模型， 但需要在紊流尺度的网格尺寸内求解。 2 、 大漩涡 模拟。 这种方 法用非稳态的方 程n - s 来直接模拟大尺度涡， 但不 直接计算小尺度涡，小涡对大涡的影响来近似模型来考虑。这种方法还是需要 较大的计算机存储量，只能模拟一些简单的情况，目前还不能直接用于工程实 际。 3 , r e y n o l d s 时 均 方 程法 。 在 这 类 方 法 中 ， 将 非 稳 态 的 控 制 方 程对 时 间 做 平 均， 在关于时 均物理量的 控制方程中包 含了脉动量乘积的时均值等物理量， 所 得方程得个数少于 未知量个数， 而且不能 够依靠进一步的处理来使方 程组封闭。 要使方程组封闭，就必须作出假设. 3 .3 .4 铸件凝固 过 程数值 模拟15 7 - s 91 在逐渐成形过程中， 凝固过 程是高 温液态 金属向固相