（材料加工工程专业论文）超轻镁合金板坯直冷连铸数值模拟及工艺优化.pdf

大魍工大学硕士学位论文 摘要 目前由于能源危机和人们环保意识的增强，对轻质、可回收材料的需求更为迫切。 作为金属结构材料中最轻的一种，m g - l i 合金除了在航空、航天、汽车和电子工业领域 的应用外，还将在许多领域内得到越来越广泛的应用。由于能得到高的生产率和较好的 铸坯质量，直冷连铸( d i r e c tc h i l lc a s t i n g ) 技术已经在铝合金的生产中得到广泛应用， 但是目前还没有在m g - l i 合金中研究应用的报道。 本文对直冷连铸技术在m g l i 合金中的应用作了前期预研，主要进行了连铸过程的 温度场计算。运用有限差分法( f d m ) 建立了超轻m g l i 系合金( l a l 4 1 ) 板坯直冷连 铸过程三维数学模型。模型的建立考虑了由于铸坯变形而引起的铸坯与结晶器间换热系 数的变化；由于铸坯表面温降而弓l 起的一冷区和二冷区边界换热系数的变化。通过与铝 连铸实测值的对比验证模型。然后针对l a l 4 1 镁锂合金连铸坯温度场进行计算。确定 了凝固前沿的形状和位置，并分析了主要工艺参数( 如浇注温度、冷却水量和拉坯速度 等) 对直冷连铸过程的影响。 模拟计算结果表明：l a l 4 1 镁锂合金直冷连铸过程，浇注温度的提高对一冷区的影 响较为显著，主要是浇注温度的提高使液穴变深；冷却水量的大小对凝固前沿的形状和 位置的影响比较小，但是随着冷却水量的增大，铸坯横截面上温度分布的不均匀性加剧； 在主要铸造参数中，拉坯速度对凝固前沿的形状和位置的影响最大。随着拉坯速度的增 加液穴变深，并且出结晶器时的凝固壳层厚度明显变薄。 另外在相同的铸造条件下，本文还对比了l a l 4 1 合金和a z 3 1 镁合金板坯的温度分 布，以及凝固前沿的形状和位置。结果表明：a z 3 1 镁合金板坯的液穴比l a l 4 1 合金板 坯的液穴深。通过以上的对比分析，建议在l a l 4 1 合金板坯的直冷连铸过程中铸造工 艺参数如下：浇注温度为6 7 肛7 0 0 ，拉坯速度为1 o 1 2 5 m m s ，冷却水量为0 8 1 0 m 3 h 。 关键词：超轻镁合金；直冷连铸；板坯；温度场；数值模拟 超轻镁台金板坯直冷连铸数值模拟及工艺优化 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fd i r e c tc h i l lc a s t i n go f s u p e r l i g h tm a g n e s i u m s l a ba n do p t i m i z a t i o no f t h e c a s t i n g p a r a m e t e r s a b s tr a o t a tt h ep r e s e n tt i m e ，w i t he n e r g yc r i s i sa n da t t e n t i o no fe n v i r o n m e n t p r o t e c t i o n ， l i g h t - w e i g h ta n dr e e y c l a b l em a t e r i a l sa r ee a g e r l yt ob ed e m a n d e d a st h el i g h t a s ta l l o y s a m o n gt h em e t a ls t r u c t u r a lm a t e r i a l s ，m g l ia l l o y sw i l lb em o r ea n dm o r ew i d e l yu s e di n m a n yf i e l d sb e s i d e so fa e r o s p a c e ，a i r c r a f ts t r u c t u r e s ，a m o m o b i l ea n de l e c t r i ci n d u s t r y d c c a s t i n go fn o n f e r r o u sm e t a l sc h a r a c t e r i z e db yh i g hp r o d u c t i v i t ya n dh i g hq u a l i t yh a db e e n w i d e l yu s e di na l u m i n u ma l l o y sp r o d u c t i o n , b u tt h e r ew e r ef e wa r t i c l e so nd cc a s t i n go f m g l ia l l o y s i nt h i sp a p e r , t h ee a r l ys t u d i e so f t h ed c c a s t i n gp r o c e s so f m g l ia l l o y sh a db e e nd o n e ， a n dt h et e m p e r a t u r ef i e l do ft h i sp r o c e s sh a db e e nc a l c u l a t e d a3 - dm a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h ed i r e c te m i l ( d c ) c a s t i n gp r o c e s sf o rs u p e r l i g h tm g - l ia l l o y ( l a l 4 1 ) s l a bh a sb e e n d e v e l o p e du s i n gt h ef i n i t ed i f f e r e n t i a lm e t h o d ( f d m ) 1 1 l cv a r i a t i o n so fh e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n tb e t w e e ns l a ba n dd u m m yb l o c ki n t e r f a c er e s u l t i n gf r o mt h ed e f o r m a t i o no ft h e s l a bh a v eb e e nc o n s i d e r e d n l ep f i m a r ya n ds e c o n d a r yc o o l i n gh e a t - t r a n s f e rc o e f f i c i e n t s b o u n d a r yc o n d i t i o n sw e r ec h o s e na saf u n c t i o no ft h et e m p e r a t m e so i ls l a bs i d es u r f a c e n l e m o d e lh a db e e nv a l i d a t e db yc o m p a r i n gt h ec a l c u l a t e dt e m p e r a t u r ep r o f i l e s 、) l ，i t l lt h em e a s u r e d t e m p e r a t u r ep r o f i l e s b yc a l c u l a t i n gt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n , s o l i d l i q u i di m e r f a e es h a p e a n dp o s i t i o n , t h ei n f l u e n c eo fc a s t i n gp a r a m e t e r so i ld cc a s t i n gp r o c e s s ，s u c ha st h ep o u r t e m p e r a t u r e ，c o o l i n gw a t e rf l o wr a t e ，c a s t i n gs p e e dh a v eb e e na n a l y z e d c a l e u l a t e dr e s u l t si n d i e a t e d ：t h ei m p a c to fi n c r e a s i n gt h ep o u rt e m p e r a t u r ei nt h e p r i i n a r yz o n ei sg r e a t e rt h a ni nt h es e c o n d a r yz o n e m o r e o v e r , i n c r e a s i n gt h ep o u rt e m p e r a t u r e m a k e st h es u m pd e p t hd e e p e r 1 1 1 ei m p a c to fi n c r e a s i n gt h ec o o l i n gw a t e rf l o wr a t eo n s o l i d - l i q u i di n t e r f a c es h a p ea n dp o s i t i o ni sl i m i t e d , b u tt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no nt h e c r o s ss e c t i o no ft h es l a bt e n d st ob e c o m e si n h o m o g e n e o u sb yi n c r e a s i n gt h ec o o l i n gw a t e r f l o wr a t e n ei m p a c to ft h ec a s t i n gs p e e do ns o l i d l i q u i di n t e r f a c es h a p ea n dp o s i t i o ni st h e l a r g e s to n ei nt h et h r e ec a s t i n gp a r a m e t e r s i n c r e a s i n gt h ec a s t i n gs p e e d ，t h es t t m pd e p t h b e c o m e sd e e p e r ，a n dt h es h e l lt h i c k n e s sa tt h ee x i to f m o l do b 、r i o n s l yb e c o m e st h i n n e r m o r e o v e r , t h et e m p o m t u r ed i s t r i b u t i o na n ds o l i d l i q u i di n t e r f a c es h a p ea n dp o s i t i o no f l a l 4 1a l l o ys l a ba n dt h a to fa z 31a l l o ys l a bh a db e e nc o m p a r e di nt h es a m ec a s t i n g p a r a m e t e r s 1 1 r e s u l t si n d i c a t e dt h a ti nt h es a m ec a s t i n gp a r a m e t e r st h es u m pd e p t ho fa z 31 a l l o ys l a bi sd e e p e rt h a nt h a to fl a l 4 1a l l o ys l a b a c c o r d i n gt or e s u l t so fs i m u l a t i o n , d u r i n g i i 大连理工大学硕士学位论文 t h ea c t u a ld cc a s t i l l gp r o c e s so fl a l 4 1s l a b t h ep r o p o s e dc a s t i n gp a r a m e t e r sa s h o w na s f o l l o w s ：t h ep o u rt e m p e r a t u r ei s6 7 0 7 0 0 c t h ec a s t i n gs p e e di s1 o 1 2 5 m m sa n dt h e c o o l i n sw a t e rf l o wr a t ei so 8 - - 1 0 m 3 h k e yw o r d s ；s u p e r l i g h tm a g n e s i u ma l l o y s ；d i r e c tc h i l lc a s t i n g ；s l a b s ：t e m p e r a t u r ef i e l d ： s i m u l a f t o n 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，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已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：睫诲穆日期：j 签汪上监9 大连理t 大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 蔓。边邀矗给 导师签名 埠年上月 日 扯 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 镁合金的研究和应用至今已有一百多年的历史t i l l 。早在二战期间，镁合金的研究 与应用就获得了较大的发展，当时镁合金的研究多是出于军事目的，镁制品主要用在飞 机上。二战结束后，开始在民用工业上开发和应用镁合金。到1 9 4 6 年德国大众公司“甲 壳虫”单车镁合金用量达1 8 k g ，更是掀起了“镁时代”的热潮。镁合金不仅具有密度低 ( 纯镁是目前工程应用中最轻的金属结构材料，密度为1 7 5 1 8 5 9 e r a 3 ，约为钢的2 3 ， 铝的6 4 ) ，比强度和比刚度高的优点，还具有良好的阻尼性能和电磁屏蔽性能，切削 加工性好，导热性好，零件尺寸稳定，成本低，无污染，易回收【2 卅。因此被称为“2 1 世纪绿色金属结构材料”。变形镁合金更是能够获得比铸造镁合金更高的强度和延展性， 从而满足更多结构件的需要1 5 】。 但是镁合金存在易腐蚀、强度比较低、高温下蠕变抗力比较差等缺点，而且受价格 等因素的制约，镁合金作为结构材料的应用受到了限制，其中变形镁合金的应用量更远 远落后于钢铁和铝会金【6 1 。纯镁的密排六方( h c p ) 晶体结构滑移系少，在室温的变形主要 通过在基面 0 0 0 1 上密排方向为 方向的滑移和在角锥面 上的孪生，在常 温下容易脆裂，当采用常规铸造法时加入锂可以激活这些滑移面，使之在较低温度更具 延展性1 6 7 j 。另外l i 的密度很小，加入其中不仅可以大大减轻合金重量，而且m g l i 合 金还有很多优良的性能，具有重要的研究价值。 l i 的密度仅o 5 3 9 e m 3 ，是金属元素中质量最轻的。而m g l i 合金的密度一般为 1 3 5 - 1 6 5 9 c m 3 ，是迄今为止无毒金属材料中最轻的合金嘲。m g - l i 二元合金具有以下优 点： ( 1 ) 密度低； ( 2 ) 强度不高，但是具有高的比强度、比刚度； ( 3 ) 良好的减振性能和抗高能粒子穿透能力； ( 4 ) 发生结构转变之后，塑性明显提高，冷热加工性能得到改善； ( 5 ) 无毒、易回收： 随着航空航天业的发展，以及汽车工业减轻自重、降低能耗的需要，人们环境保护 意识的增强，加强超轻m g - l i 系合金的研究和开发具有重要的现实意义。 超轻镁合金板坯直冷连铸数值模拟及工艺优化 1 2 矾g - l l 系合金 1 2 1 g _ l i 系合金的研究历史 当m g 中的“含量不超过5 7 时，合金全部由l i 在m g 中的固溶体a 相组成，合 金仍为密排六方( h e p ) 结构；当l i 含量超过5 7 时，合金密排六方( h c p ) 基体 相) 中开 始出现体心立方( b c c ) 结构的芦相( m g 在l i 中的固溶体) ；当l i 含量超过1 1 时，合 金全部为体心立方( b c c ) 结构的参相。m g - l i 合金二元相图如图1 ，l 所示。德国的m a s i n 9 1 9 1 最早发现m g l i 合金的结构转变，并认为该结构是超结构。1 9 3 4 1 9 3 6 年，德国、美国、 英国的研究者相继在对m g - l i 合金的研究中证实了这一结构转变，并确定了该结构转变 是密排六方( h c p ) 结构向体心立方( b c c ) 结构的转变，他们还测定了m g l i 二元相图，为以 后的研究奠定了基础。1 9 5 4 年，f r e e t h 1 0 】等人提出了完整精确的m g - l i 平衡相图。 w e i g h tp e r l l tl i t h i u m 图1 1l a g l i 二元相图 f i g i 1 p h a s ed i a g r a mf o rm g - l ia l l o y s 由于结构转变的出现，使得m g - l i 合金的塑性得到了极大程度的提高，改善了密排 六方( 比p ) 结构镁合金因为滑移系少，成型困难的缺点，从而引起了各国研究者的普遍 关注。 p10-暑置墨工 大连理工大学硕士学位论文 2 0 世纪4 0 年代，美国冶金学家a c l o o n a l y l 提议向镁基合金中添加金属“，使镁 基合金发生结构转变，以期在改善镁合金加工性能的同时进一步降低镁合金的密度。由 于其在军事上的应用价值，美国b a t t l e 研究所、海军部、宇航局开始大规模合作研制 m g l i 合金，目标是开发出密度低、比强度高、比剐度高、成型性良好、各向异性不明 显的超轻合剑l l 】。随后美国坦克指挥部与道化公司合作成功开发了l a z 9 3 3 m g l i 系合 金( m g - 9 l i 0 3 a 1 3 z n ) ，用于制造m i1 3 装甲运兵车车体部件，并通过了道路行驶试验； 而后陆军弹道导弹部门与b a t t l e 研究所合作研制出l a l 4 1 m g l i 系合金( m g - 1 4 l i l a d ， 后来l a l 4 1 合金被纳入航空材料标准a m s 4 3 8 6 。1 9 6 0 1 9 6 7 年l a l 4 1 合金已经应用于 s a t u m - v 航天飞机的计算机、电器仪表框架和外壳、防宇宙尘壁板等。1 9 6 7 年以后美国 的工艺研究停了下来，但理论研究得到了发展，一直持续到1 9 7 1 年。1 9 8 4 年美国麦道 公司尝试在m g - 9 l i x 合金中采用快速凝固新工艺；1 9 9 0 年美国斯坦福大学与海军部在 m g 9 l i - 4 b 4 c 复合材料中研究其超塑性。 2 0 世纪6 0 年代中至9 0 年代，前苏联开发出了m a l 8 、m a 2 1 等超轻m g l i 系合金， 并制造出了强度与延性较好、组织稳定的m g - l i 合金零件。1 9 8 3 年苏联学者首先实现 了m a 2 1 合金的超塑性。1 9 8 4 年首创了激光快速凝固细化表层晶粒的新工艺。 2 0 世纪7 0 年代起，德国学者研究了m g - l i 相图及其合金，对激光快凝新工艺进行 了研刭9 】。 日本于2 0 世纪8 0 年代开始大规模集中研n - 元m g l i 、三元m g - l i - r e 合金，在 m g 一8 l i 1 z n 合金中获得最大超塑延伸率8 4 0 ，同时开发出了m g - 3 6 l i 一5 z n 、m g 一3 6 l i - 5 a 1 等可浮在水面、密度仅o 9 5 9 c m 3 的超轻m g l i 系合金，可用于航天以及笔记本电脑等 需要使用坚固而又轻质材料的电子产品中。另外，三井金属公司和大阪府立大学共同开 发的一种加入3 钇( y ) 的m g - l i 系新合金，是唯一能够代替塑料的金属材料【1 2 】。 而我国对m g - l i 系合金的研究起步较晚，从2 0 世纪9 0 年代才开展关于m g - l i 系合 金方面的研究。目前国内已经开发出的m g l i 系变形合金有$ 4 0 2 、$ 4 0 3 试验合金等l l ”。 国内有上海交通大学，东北大学、中科院、中南大学和山东大学开展了这方面的研究， 其中上海交通大学对m g o l i 复合材料的研究比较多。近期哈尔滨工程大学、湖南大学也 开展了关于m g l i 系合金熔炼以及合金化、组织性能等方面的研究。 1 2 2 m g - l i 系合金的研究现状 虽然m g l i 系合金有其自身的优点，但是目前来说，其二元合金直接应用的很少。 共晶成分范围的m g l i 二元合金具有极其优越的变形性能和超塑性，在3 5 0 条件下合 金的伸长率在6 1 0 - - - 4 6 0 之问n 。但是m g l i 二元合金绝对强度较低，不能进行时效强 超轻镁合金板坯直冷连铸数值模拟及工艺优化 化，基本上为不可热处理强化合金；全部为口相的二元合金在室温下即可发生蠕变，力 学稳定性较差嘲。德国研究者对超轻体心立方( 6 叻结构的m g - 4 0 l i 合金的研究发现，合 金的高强度和高延展性被其相对较低的耐热和抗蠕变性能所抵消【1 6 1 。此外m g - l i 二元合 金还具有易腐蚀的倾向。这些特点都限制了该舍金作为结构材料的使用。 表1 1 主要合金元素在h g - l i 合金中的作用l 川 t a b 1 1 r o l e so f s o m ee l e m e n t si nm g - l ia l l o y s 大连理工大学硕士学位论文 传统的提高合金性能的方法有常规元素添加、冷热加工、时效热处理等方面。添加 常规元素的合金化方法是改进合金性能的一种常用途径。主要合金元素在m g l i 合金中 的作用如表1 1 所示，目前研究较多的是三元m g - l i a i 合金、m g l i - z n 合金以及以上 述两种三元合金为基底添加其他元素的四元以上合金。 从2 0 世纪8 0 年代中期开始，人们又开始探索通过其他途径来改善此合金性能的可 能性。包括m g l i 基复合材料、新型的m g l i 合金加工处理方法、m g l i r e 系合金、 超塑性研究等方面。另外日本学者于2 0 世纪9 0 年代还进行了m g l i 合金半固态加工的 研究鳓。 以陶瓷颗粒、纤维或晶须作为增强剂，可制成镁锂基复合材料，美国海军部和斯坦 福大学用箔冶金扩散焊接方法制备了m g l i b 4 c 。复合材料【9 】。英国剑桥大学用挤压铸造 的方法制备了m g l i s i c 、a 1 2 0 3 等增强的复合材料。我国也有许多学者开展了m g - l i 基复合材料方面的研究工作，但有关该复合材料的微结构和界面特性等问题还有待于进 一步探讨【2 1 0 2 3 。 随着科技的发展，科研工作者们开始采用快速凝固( r s p ) 工艺、激光表面技术、 半固态加工等方法来制备m g l i 合金以提高合金性能。通过快速凝固工艺可以获得晶粒 细化、第二相细小且均匀分布的组织，并可减少或避免宏观偏析【2 4 j ，从而提高合金的性 能。前苏联对m g l i 合金表面激光处理进行了较多的研究，发现通过调整熔化区结构细 化晶粒可以提高m a l 2 合金的硬度强度，虽然塑性有所下降但可以改善常温抗蠕变性 能，提高耐蚀性。日本学者于2 0 世纪9 0 年代也进行了m g - l i 合金半固态加工的研究【l l 】。 稀土使合金硬度提高、加工硬化能力下降，其最大的优点是改善合金的热稳定性。 日本一些大学集中研究了添加稀土元素的双相m g l i 合金，添加的元素有y 、n d 、c e 、 l a 等。试验表明n d 可细化晶粒，并且略微增加强度，显著提高延展性；n d 与a g 同时 加入可使合金的再结晶温度提高5 0 以上。 1 9 8 3 年，前苏联研究人员首先实现了m a 2 1 合金的超塑性 9 1 。之后，s i v a k e s a v a m 等研究了铸态m g 1 1 5 l i 1 5 a l 合金的超塑性1 2 5 1 。w o l f e n s t i n e 等研究了两相组织的 m g - 8 5 l i 合金在1 7 5 3 5 0 温度区间的超塑成形，将铸态的材料温轧，在较高的温度下 变形，经历动态再结晶得到的组织晶粒细小，断裂延伸率高达6 1 0 ，应变速率敏感性 指数也达到了0 7 l 2 6 1 。 国内方面，东北大学制备了双相m g - 8 4 l i 合金，在3 0 0 ，5 x l o - 4 s 1 条件下，合金 获得了9 6 0 的超塑性【2 7 1 。另外，低温超塑性也是超塑成形的一个发展方向，其中以等 通道角挤压技术( e c a e ) 研究较多。该工艺可获得细小的晶粒组织，增大晶界面积， 促使晶界滑移，从而实现低温超塑性。 超轻镁合金板坯直冷连铸数值模拟及工艺优化 表1 2 所示为m g - l i 系合金的主要应用情况，目前主要的应用还是集中在军事和航 空航天领域。由于我国m g - l i 合金的研究才刚刚起步。只进行了极少量的基础性研究工 作，m g - l i 合金在国内的应用尚为空白。 袭1 2m g - l i 合金的应用 t a b 1 2 a p p l i c a t i o n so f m g - l ia l l o y s 苏联m a 2 1 等电子仪表件外壳零件电子 1 2 3m g - l i - a i 系合金 舢因熔点与m g 相近，使合金易于熔炼；a i 密度较小，加入m g - l i 合金中后使合 金密度增加较少；在m g l i 合金中加入a l 可以有效地降低液相线的温度，而且舢单位 质量的原子数多，强化效果好。这些优势使得a l 成为m g - l i 合金中最重要的合金元素 之一。国内外许多研究者都对m g l i a i 系合金进行了一系列研究，到目前为止，研究 者们对m g ，l i a i 系合金的研究是较为透彻的。 m g - l i 舢系合金中含有相对较少量的a l 时，强度和塑性可以兼顾。j a c k s o n 1 2 1 等首 先研究了不同“含量( 4 - - 1l ) 挤压材的力学性能，表明相同l i 含量时，合金强度 随l i 含量的增加而提高，延伸率随着“含量的增加而下降；相同含量时，合金强度 随l i 含量的增加而下降，延伸率随着l i 含量的增加而提高，力学稳定性也随着l i 含量 的增加而提高。b u c k 等发现合金的高强度总是与极端脆性相伴，并且在低温下高强度 缺乏稳定性，即很快会过时效，这个结果也被f r o s t 等证明了【1 2 1 。 m g - l i 。a l 随着舢含量的提高，过时效出现的时间提前。典型的m g - l i - a 1 合金l a l 4 1 甚至在室温下就会发生相的分解 1 2 1 。研究表明，含l i 量高的m g - l i 合金的时效存在这 样个过程：f l - - - , m g l i 2 a l a l l i ，时效强化相m g l i 2 a 1 是一个亚稳相，随着时效时间 的延长会转变成稳定相a l l i ，而强化相的粗化是导致过时效的一个主要原因。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 此外m g - l i a i 合金组织中存在高度发达的孪晶和棱面滑移，所以合金的塑性非常 高。i - - i a n s 衄1 1 4 】等认为多相m g l i a l 合金的力学性能可由各个组分相的机械性能来确定， 由屈服应力高、不易变形的密排六方a - m g ，延展性较好、比较软的体心立方声相和不 易变形、并产生弥散强化的金属间化合物赳l i 的优化组合，可以设计出有足够强度和 塑性的合金。m g - l i a 1 合金还具有超塑性特性。 研究者们通过添加其他元素的方法试图提高m g - l i a i 系合金性能，发现除了a g 外 其他元素无助于稳定合金的性能。l i 含量在1 0 2 0 之间变化时，合金力学性能没有变 化，但是组织晶粒随l i 含量的增加而减小。a 1 、z n 、a g 增加合金的强度但是降低伸长 率。c u 和c d 也增加合金的强度，n d 、l a 和c e 增加合金的伸长率，但对强度无明显影 响。李红斌【3 i j 等研究了c a 对m g l i - a i 合金显微组织和力学性能的影响，发现c a 对显 微组织中的g 相和口相有细化作用，这是因为c a 在晶界处富集极大地抑止了晶粒的长 大，而且添加1 的c a 可以提高合金的强度，却降低了塑性。k o r y a k i n 等采用热机变形 处理来试图解决合金时效软化的问题，研究表明通过适当的热机变形处理，在保证合金 组织稳定的前提下使合金强度得到大幅度提高是有可能的【1 4 】。另外近年来我国研究者们 研究了热处理对压铸m g - l i a i 合金性能的影响、m g - l i - a i 合金冷轧及热处理后的组织 和性能、l a l 4 1 压蠕变行为、m g l i a i 合金阻尼性能、双相m g l i - a l 合金等通道转角 挤压等方面的研究，也取得了一定的成果。 1 3 直冷连铸技术 通过挤压、锻造、轧制等变形加工工艺生产出具有更高强度和更好延展性的高质量 产品可能使m g l i 合金得到更为广泛的应用。但生产高质量的板、棒、管等变形合金产 品的前提是获得高质量的铸造毛坯。铸锭的凝固组织形态、组织致密度、成分偏析等对 后续加工工艺及最终制件的质量具有决定性的影响。传统的铸锭生产主要采用锭模铸 造，其生产过程是非连续的。因凝固条件所限，锭模铸锭的凝固组织、成分及致密度在 轴向和径向上都是不均匀的。且由于锭头锭尾存在缩孔、缩松缺陷，需切头去尾，大大 影响铸锭的实际利用率。连续铸造技术的应用是冶金工业的一次技术革命，它不仅大大 提高生产效率，减少能源和材料的消耗浪费，而且使材料的内部冶金质量得到了极大的 改善【3 2 】。制备变形轻合金毛坯的直冷连铸技术虽然在铝合金的生产中已经得到广泛应 用，但用于镁合金的生产目前并未普及，而m g - l i 系合金直冷连铸方亟的研究国内外尚 未见报导。 超轻镁合金板坯直冷连铸数值模拟及工艺优化 1 3 1直冷连铸的基本装置及工艺流程 如图1 2 所示为直冷连铸( d i r e c t c l l i n c a s t i n g ，简称d c c a s t i n g ) 过程示意图。整 套直冷连铸实验系统包括结晶器( m o l d ) 、熔炼与浇注系统、冷却系统和底模( d u m m y b l o c k ) 。结晶器中通入循环冷却水，主要作用是维持液柱成形，防止高温金属液外漏， 并且对铸锭进行一次冷却。熔炼与浇注系统的主要作用是熔炼出成分合格的金属液，并 且保证金属液能以一定的流量浇入结晶器中。冷却系统除了对结晶器壁的冷却部分 ( m oc o o l i l l g 瑚e ) 外，还包括结晶器下方的直接喷水区( i l p j n g 啪c mz o n ) 和流水 区( f r e e 例l i n gz o ) ，主要作用是对结晶器和铸锭进行冷却。底模与电机相连，使用 变频器调整电机转数，可以控制底模向下移动的速度。镁合金的连铸过程还包括气氛保 护系统，主要是因为m g 化学性质活泼，在生产过程中炉口和结晶器内需要去氧保护， 一般选用s f 6 混合气体保护。 图1 2 直冷连铸示意图 f 培1 2 s c h e m 硝co f t i i ed c c a s t i l l g 芦o c e s s 在浇注之前，底模伸入结晶器中一部分，与结晶器一起形成一个下端封闭的型腔。 浇注时高温金属液从上方浇入结晶器，在水冷结晶器壁的激冷作用下金属液迅速冷却并 形成一定厚度的金属壳层。当结晶器中液柱达到一定的高度，并且凝固壳层的厚度足以 大连理工大学硕士学位论文 支撑内部金属液产生的静压力时，底模以一定的速度向下移动，上方金属液仍以与拉坯 速度相匹配的浇注速度不断浇入。在结晶器下方位置，冷却水直接喷射到铸锭表面，并 且喷射水流沿铸锭表面流下，使铸锭快速冷却。当铸锭达到一定的高度时，浇注停止， 完成一个半连续铸造过程。 1 3 2 直冷连铸技术的产生及其特点 直冷连铸技术的发展开始于2 0 世纪3 0 年代，是从铝的连铸发展起来的。1 9 3 5 年， a l c o a 公司及v l w 公司的直接水冷铸造( v e r t i c a ld i r e c tc h i l lc a s t i n g ) 是现代铝连铸的 开端【3 2 1 。1 9 5 0 年，曼内斯曼式连铸机标志着钢的连铸的开始 3 3 1 。采用这种半连续铸造 方法生产铝合金铸锭具有占地少、成本低、效率高等优点，并大大改善了劳动条件，因 此，d c 法在有色金属铸造中得到迅速发展。目前有色金属加工厂的铜、铝、锌及其合 金铸锭已广泛采用连铸法生产。 直冷连铸法与传统的模铸法相比，直冷连铸法具有以下特点：首先，由于浇注速度 和冷却强度可控，供流平稳且流柱短，无飞溅，混入气体及夹渣的可能性小，并可对结 晶器内的金属液进行保护润滑，故铸锭中液穴形态基本不变且较浅平，结晶速度快，轴 向顺序凝固较明显，致密度较高，气孔、夹杂、缩孔等缺陷较少，铸锭结晶组织较均匀 细小，枝晶臂间距短小，而且减少了切头去尾，避免了能源和人力的不必要浪费，还提 高了生产率 3 4 1 。此外，由于机械化程度高，劳动强度较小，能多根铸坯同时铸造，生产 效率高，占地面积较少1 3 “。 随着连铸工艺的推广，直冷连铸技术也暴露出一些其自身的缺陷，主要有：( 1 ) 铸锭 表面质量差，铸锭表面由于一次冷却速度较快、浇注不稳定等原因常常形成冷隔、拉伤； ( 2 ) 由于一、二次冷却间隔之间铸锭回热而产生反偏析、粗大枝晶等。研究发现减少结晶 器壁的导热，缩短两次冷却间距减少回热区都可以改善显微组织和枝晶网络的尺寸，使 铸锭有较好的光滑表面( 结疤少) ，这样可以减少对车皮的要求。为此国内外都有减少 一次冷却的趋向。随后又发展了隔热模铸造和热顶铸造，目的都是缩短一、二次冷却间 隔，尽可能地减少回热区，以实现改善铸锭表面质量的目的e 嘲。 1 3 3 直冷连铸技术的主要工艺参数 在合金和铸造工艺条件一定时，连铸过程的基本特点是：液穴形状及深度、固液两 相共存的过渡带、结晶方式及组织三者基本不变，这三者将对铸锭性能产生重大影响【3 5 l 。 其中固液两相共存的过渡带、结晶方式及组织受合金成分及金属本身性能的影响。对于 确定成分的合金，液穴形状及深度又受到铸坯形状及尺寸以及多种铸造参数如浇注温 度、冷却水量、拉坯速度等的影响。 超轻镁合金板坯直冷连铸数值模拟及工艺优化 ( 1 ) 浇注温度 在镁合金连铸过程中，液态金属的浇注温度很重要。镁合金熔体易与周围介质如氧、 氮、水汽等发生反应。而且对于m g - l i 合金来说，高温熔体更加活泼，易于氧化燃烧。 如果浇注温度过高，会降低表面氧化膜的保护能力，发生氧化会使溶液中出现氧化夹杂， 影响连铸过程和镁锭的质量。 由于直冷连铸过程结晶器和底模是通水冷却，具有较强的冷却能力，因而会影响液 体金属的充型能力，导致铸造过程中出现浇不足、冷隔等现象。提高浇注温度可以提高 液态金属的流动性，改善其充型能力。另外浇注温度低、充型能力差也会使浇1 3 处出流 不连续，给控流带来困难，也导致液柱高度不恒定，加快铸锭凝固收缩，容易导致周围 塌漏缺陷的形成。 ( 2 ) 冷却水量 冷却水量是影响铸坯凝固速率的重要参数，水冷效果也直接影响到铸坯表层和内部 质量，也是裂纹和板坯宽面变形缺陷形成的重要影响因素1 3 7 。冷却水量越大，冷却强度 就越离，铸坯凝固速度就越快，也将影响金属液的充型能力，而且对凝固壳层冲击作用 更大，使凝固壳层要承受更大的压力。该压力过大将导致凝固壳层破裂，铸造过程失败。 冷却水量过小，铸坯凝固速度变慢，凝固壳层形成较慢而且较薄，容易发生拉漏现象。 因此，冷却水量的大小也应该与其他铸造工艺条件相匹配。 ( 3 ) 拉坯速度 在直冷连铸过程中，拉坯速度不是一个始终恒定不变的量，而是有一个变化过程， 一般分为三个阶段：初始阶段、过渡阶段和稳定阶段。初始阶段：当浇注刚剐开始时， 由于冷却水及底模的激冷作用，铸坯的底端快速冷却收缩，发生翘曲变形，使得铸坯与 结晶器、底模间形成气隙，恶化传热条件，因此要求较低的拉速与之相匹配。过渡阶段： 初始浇注到铸造稳定过程之间的一段时间，这段时间内，由于冷却强度增大，铸坯凝固 速度提高，需要相应的提高拉速。稳定阶段：达到一个热平衡状态，铸坯的凝固速度和 拉坯速度相吻合，冷却强度、液柱高度基本保持不变，铸造过程稳定进行。但是拉速过 大时，液穴过深，会促进中心出现裂纹甚至通心裂纹。拉速过慢会使结晶器内金属液周 边迅速成壳，增大铸坯与结晶器间摩擦阻力，若阻力过大会造成铸坯在结晶器底部附近 开裂，造成中心塌漏缺陷。所以从提商生产效率的角度考虑，应在不产生裂纹等缺陷的 前提下，尽量提高拉速。 大连理工大学硕士学位论文 1 4 数值模拟研究概况 以导热微分方程为基础的凝固与铸造过程数值模拟研究始于二十世纪六十年代，主 要包括两个方面的发展。一方面体现在专业技术领域内，包括铸件充型过程( 流场) 数 值模拟、凝固过程( 温度场) 数值模拟、微观组织数值模拟、热应力数值模拟以及铸造 缺陷( 如缩孔、缩松及热裂等) 预测等。另一方面在数值计算方法上也不断得到扩展与 改进。由初期使用较多的有限差分法发展了交替方向隐式法、直接差分法及边界元法和 有限元法等数值计算方法。这些计算方法各有其优缺点，需要根据铸造与凝固过程的不 同需要、模拟精度以及计算时问、计算机容量等不同因素选用合适的数值计算方法【3 矾。 随着计算机技术与模拟技术的发展，一些具有较强处理能力与相对成熟的商业化通 用软件也陆续问世。自1 9 8 9 年德国m a g m a 公司成功开发了m a g m a s o f t 铸造软件 以来，出现了很多商业化的铸造模拟软件。目前发达国家都有自己的商业化模拟软件， 如美国的p 眦a s t 、德国的m a g m a 、比利时的v i e wc a s t 以及芬兰的c a s tc a e 等； 国内方面的研究起步比较晚，始于二十世纪七十年代，以大连理工大学、沈阳铸造 研究所、华中科技大学，哈尔滨工业大学等为代表，模拟研究对象不断扩大、研究内容 不断深入。国内己开发的铸造模拟软件主要有清华的f t - s t a r ，华中科技大学的华铸c a e 以及中国科学院金属研究所的i m r - 3 d 等【3 9 1 。许多软件可以对砂型铸造、金属型铸造、 精密铸造等进行温度场、流场以及应力场模拟，准确地预测缩孔、缩松和微观组织，提 高铸件的质量、优化铸造工艺参数和工艺制备方案。 目前铸造过程数值模拟正在由宏观模拟向微观模拟转变，模拟尺度包括微米和毫米 级，涉及结晶过程形核长大、柱状晶与等轴晶的转变和金属基体组织的控制等方面。铸 件凝固组织形成过程的模拟可以预测铸件的铸态组织和力学性能，获得主要工艺参数与 铸件凝固组织的定量关系，为通过工艺控制改善铸件微观组织提供可靠依据i 4 0 l 。 连铸过程也是铸锭的放热过程，铸锭在连铸过程中释放的热量包括从浇注温度到液 相线温度的过热、从液相线温度到固相线温度之间的潜热和从固相线温度到环境温度之 间的显热。对连铸过程的数值模拟就是使用计算机辅助计算铸锭的这种放热过程。 1 9 6 2 年a d e i l i s 【4 ”最早发表了用数值法解决直冷连铸数学模型导热方程的学术论文。 建立了二维轴对称传热模型，计算稳态下镁合金铸锭的温度分布情况，用不同的换热系 数表现一冷区铸锭和结晶器边界以及二冷区冷却水和铸锭边界条件的传热情况。之后， 研究者们将更多的注意力集中在铝的直冷连铸方面，从二十世纪七十年代开始，出现了 大量的有关铝的直冷连铸方面的研究报导，而镁的直冷连铸方面的报导则比较少。 9 0 年代h i b b i n s l 4 i 】使用有限差分法分别建立了a z 3 1 镁合金直冷连铸过程二维和稳 态下的三维传热模型。用来预测各种铸造条件下铸锭的温度分布情况。一冷区和二冷区 超轻镁合金板坯直冷连铸数值模拟及工艺优化 的换热系数用实验测量温度值的方法确定。特别是在处理一冷区边界条件时，由于在结 晶器中所处高度不同，传热系数从3 5 0 0 w m 2 k 降低到3 0 0 w m 2 k ，这样的变化过程与 实际生产中随着气隙的形成，铸锭与结晶器传热情况恶化的现象是相符的。冲击区和流 水区的换热系数视为常数值，分别为1 0 0 0 0 w m 2 k 和1 2 0 0 0 w m 2 k 。在各种铸造条件 下