（材料加工工程专业论文）铝合金半固态电磁搅拌数值模拟及实验研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 金属半固态成形技术具有组织致密、夹气少，性能优异、且属于近终型成 形，因此该技术在许多工业，尤其是在汽车工业具有广泛的应用前景。同时金 属半固态成形技术又是一门跨传热学、流体力学，材料力学以及计算数学等多 学科的材料加工制备的先进技术，因而具有较高的理论研究价值。铝合金半固 态成形件由于具有重量轻，比强度高，且可回收利用的优点，因此是研究最为 广泛的半固态成形金属材料之一。 本研究的目的是通过计算机模拟来优化实验工艺参数，并结合实验研究找 出电磁搅拌过程中流体的运动特征和规律。 本文首先对电磁搅拌过程进行建模及电磁场和流速场的耦合模拟，得到了 电磁场分布和流速场分布。从电磁场分布情况来看，电磁场的磁感线在靠近线 圈附近的区域最密集。从熔体表面向里，磁感线密度越来越小。而磁感线密度 跟磁场强度成正比，所以磁场强度从熔体表面向里逐渐减小。从流速场分布情 况来看，在熔体内部竖直方向上存在两个高度相等的漩涡，该结果与电磁搅拌 的原理及实验结果相一致，因此模拟出的结果切合实际。熔体内部流动速度最 大值出现在熔体区域的右上角和右下角处，较大的流动速度只出现在几个节点 处，其他大部分区域的流动速度都比较均衡，熔体内部的流动速度最小值出现 在中心附近。模拟中分别分析了流速场随搅拌频率、电流密度、搅拌时间、搅 拌温度和流体粘度改变而变化的基本规律。 确定了实验仪器以及实验参数，将z l l 0 7 熔化，并分别采用不同的搅拌频 率和功率进行电磁搅拌。观察几种搅拌工艺下所得到的材料的显微组织。在电 磁力的作用下，熔体内部产生强烈的对流运动，枝晶被打断，晶粒间不断发生 碰撞和摩擦，使晶粒变得圆整，组织致密，满足了半固态浆料的制备的要求。 随着频率和功率的升高，搅拌电磁力增大，所得组织更加细密，颗粒更加圆整。 关键词：半固态，电磁搅拌，a n s y s ，电磁场，流速场 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t s e m i s o l i dm e t a lf o r m i n g ( s s mo rs s l oh a sa l le x t e n s i v ea p p l i c a t i o n si nm a n y i n d u s t r i e s ，e s p e c i a l l yi nt h ea u t o m o b i l ei n d u s t r ya n dh i # e rt h e o r e t i c a lr e s e a r c h i n g v a l u ea st h ef o r m e dp a r t sp o s s e s sm o r ec o m p a c tm i c r o s t m c t u r e ，l e s se n t r a p m e n to f g a sa n db e t t e rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，m e a n w h i l ei tb e l o n g s t on e ts h a p ef o r m i n ga n d a d v a n c e dm a t e r i a l sm a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u e ，a n di ta l s os t r i d e sm a n yf i e l d s ，s u c h 硒 h e a tt r a n s f e r , f l u i dm e c h a n i c s ，m a t e r i a l sm e c h a n i c sa n dc o m p u t e rm a t h e m a t i c se t c a l u m i n u ma l l o yi st h em o s ts u i t a b l em a t e r i a l sf o rt h es e m i - s o l i df o r m i n ga n df o rt h e r e d u c t i o no fv e h i c l ew e i g h tb e c a u s ei th a sas e r i e so fa d v a n t a g e s ，s u c ha sl e s sd e n s i t y , h i g h e rs t r e n g t ht om a s sr a t i oa n db a s e rr e u t i l i z a t i o ne t c a st h ep u r p o s eo ft h i sr e s e a r c h ，t h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r sw i l lb eo p t i m i z e dt o o b t a i nt h es u i t a b l es e m i s o l i ds l u r r yo fz l l 0 7a l l o yt h r o u g ht h es i m u l a t i o no ff l u i d f i e l dw i t hc o m p u t e r t h ek i n e t i cc h a r a c t e r i s t i ca n dr u l eo ft h ef l u i dd u r i n gt h e p r o c e s so fe l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n gw i l lb ef o u n d w i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h f i r s t l y , t h em o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no ft h ec o u p l i n go ft h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l d a n dt h ef l u i df i e l do fe l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n gw e r ed o n e ，a n dt h e nt h ed i s t r i b u t i n go f t h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n dt h ef l u i df i e l dw e r eo b t a i n e dt h r o u g ht h es i m u l a t i o n l i n eo fm a g n e t i ci n d u c t i o ni sd e n s e s tn e a rt h ec o i lf r o mt h ed i s t r i b u t i n gr e s u l to ft h e e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d l i n eo fm a g n e t i ci n d u c t i o n d e n s i t yr e d u c e sg r a d u a l l yf r o m t h em e l t i n gs u r f a c et ot h ei n n e rm e l t i n g b e c a u s et h el i n eo fm a g n e t i ci n d u c t i o n d e n s i t ya n dt h ei n t e n s i t yo fm a g n e t i cf i e l da r ed i r e c tp r o p o r t i o n , t h ei n t e n s i t yo f m a g n e t i cf i e l dg r a d u a l l yr e d u c ef r o mt h em e l t i n gs u r f a c et ot h ei n n e rm e l t i n g t w o e q u a ls w i r l sd i s t r i b u t e d i nt h em e l t i n ga r e a l e n g t h w a y sf r o mt h er e s u l to ft h e s i m u l a t i o n , a n di tw a sc o r r e c tb e c a u s ei ta c c o r d e d w i t ht h ep r i n c i p l ea n dt h e e x p e r i m e n to ft h ee l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g t h em a xf l o w i n gv e l o c i t yo ft h ei n n e r m e l t i n gp r e s e n t st ot h et o pr i g h tc o m e ra n dt h eb o t t o mo fr i g h te o r n e r o ft h em e l t i n g a r e a t h eb i g g i s hf l o w i n gv e l o c i t yp r e s e n t st os o m en o d e s t h ef l o w i n gv e l o c i t yi s v e r ye q u i l i b r i u mi nt h eo t h e ra r e a t h el e a s tf l o w i n gv e l o c i t yo ft h ei n n e rm e l t i n g p r e s e n t st o t h ec e n t r a la r e a t h ee l e m e n t a r ya l t e r a t i o nr u l eo ff l u i df i e l di sb e e n a n a l y z e dw i t ht h ea l t e r a t i o no fs t i r r i n gf r e q u e n c y , c u r r e n td e n s i t y , s t i r r i n gt i m e ， u 武汉理工大学硕士学位论文 s t i r r i n gt e m p e r a t u r ea n df l u i dv i s c o s i t y t h ed e v i c ea n dp a r a m e t e r so ft h ee x p e r i m e n ta l ec o n f i r m e d m e l tz l l 0 7a n d s t i rt h em e l t i n gi nt h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l dw i t hd i f f e r e n ts t i r r i n gf r e q u e n c ya n d c a p a c i t y o b s e r v et h em i c r os t r u c t u r eo ft h em a t e r i a l st h a tg e t sf r o mt h ed i f f e r e n t s t i r r i n gt e c h n o l o g y w i t h t h ea c t i o no ft h ee l e c t r o m a g n e t i cf o r c e ，i n t e n s i v e c o n v e c t i v em o v e m e n tg e n e r a t ei nt h ei n n e rm e l t i n g p i n e t r e ec r y s t a lw a sb r o k e n b e c a u s eo ft h ec o l l i s i o na n df r i c t i o nb e t w e e nt h ec r y s t a lg r a i n s ，t h ec r y s t a lg r a i n b e 圮o m e sr o u n d ，t h es t r u c t u r eg e t st i g h t ，a n dm e e t st h en e c e s s i t yo fs e m i - s o l i ds l u r r y p r e p a r i n g w h e ns t i r r i n gf r e q u e n c ya n dc a p a c i t ye n l a r g e ，t h ee l e c t r o m a g n e t i cf o r c e o fs t i r r i n gg e th e a v i e r , t h es t r u c t u r eb e c o m em o r et i g h t ，t h ec r y s t a lg r a i ng e tm o r e r o l l n d k e yw o r d s ：s e m i - s o l i d ，e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g , a n s y s ，e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ， 1 7 1 u i df i e l d i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究性工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉 理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示 了谢意。 研究生签名：日期竺望：! ： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生签名：坌宣亟导师签名 盗牟 日期坦醒易 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 半固态成形技术概述 第一章绪论 1 1 1 引言 在2 0 世纪7 0 年代美国麻省理工学院的m c f i e m i m g s 1 j 教授等提出了一种 金属成形的新方法，即半固态成形技术。半固态加工就是在金属凝固的过程中， 对其施以剧烈的搅拌作用，充分破碎枝状的初生固相，得到一种液态金属母相中 均匀的悬浮着一定数量球状、椭球状或蔷薇状初生固相的固一液混合浆料( 固相 组分一般为5 0 左右) ，目前在国际上通常将半固态加工( s e m i s o l i dm e t a l l u r g y ) 简称为s s m 。就金属材料而言，半固态是其从液态向固态转变或从固态向液态 转变的中间阶段，特别对于结晶温度区间宽的合金，半固态阶段长。金属材料在 液态、固态和半固态三个阶段均呈现明显不同的物理特性，利用这些特性，产生 了凝固加工、塑性加工和半固态加工等多种金属热加工成形方法。 1 1 2 半固态成形工艺特点 半固态金属( 合金) 内部是固液混合共存，在高固相率时，液相成分仅限于 部分晶界，当固相率低时，固相颗粒游离在液相成分之中。半固态金属的金属学 和力学特点主要有： ( 1 ) 由于固液共存，在两者界面熔化，凝固不断发生，产生活跃的扩散现象。 因此溶质元素的局部浓度不断变化。 ( 2 ) 由于晶粒闯或固相粒子问夹有液相成分，固相粒子阃几乎没有结合力， 因此，其宏观流动变形抗力显著低。 ( 3 ) 随着固相率的降低，呈现黏性流体特性，在微小外力作用下即可很容易 变形流动。 ( 4 ) 当固相率在极限值( 约7 5 ) 以下时，浆料可以进行搅拌，并很容易地 混入异种材料的粉末、纤维等。 ( 5 ) 由于固相粒子间几乎无结合力，在特定部位虽然容易分离，但由于液相 成分的存在，又可很容易地将分离的部位连接形成一体化。特别是液相成分很活 跃，不仅半尉念会属间的结合，而且与一股固态会属材料也容易形成很好的结合。 f 6 ) 即使是含有陶瓷颗粒、纤维等难加工性材料，也可能通过半熔融状态在 低加_ r = 力下进 j 成形加工。 ( 7 ) 存在“1 施加外力时，存在淑蚓成分和同艉f 成分分别流动的情况。皱然施 武汉理工大学硕士学位论文 加外力的方法和当时的边界约束条件可能不同，但一般来说，存在液相成分先行 流动的倾向或可能性。 ( 8 ) 上述现象在固相率很高或很低或加工速度特别高的情况下都很难发生， 主要是在中间固相率范围或低加工速度情况下显著。 与普通的加工方法相比，半固态金属加工具有很多独特的优点： ( 1 ) 黏度比液态金属要高，容易控制；模具夹带的气体少，减少氧化、改善 加工性，减少模只黏接，可进行更高速的部件成形，改善表面光洁度，易实现自 动化和形成新加工工艺。 ( 2 ) 流动应力比固态金属低。半固态浆料具有流变性和触变性，变形抗力非 常小，可以更高的速度成形部件，而且可进行复杂件成形，缩短加工周期，提高 材料利用率，有利于节能节材，并可进行连续形状的高速成形( 如挤压) ，加工 成本低。 ( 3 ) 应用范围广。凡具有固液两相区的合金均可实现半固态加工。可适用于 多种加工工艺，如铸造、轧制、挤压和锻压等，并可进行材料的复合及成形。 1 1 3 半固态成形工艺过程及工艺方法 半固态加工的基本工艺方法可分为流变成形和触变成形两种。如图1 - 1 所示， 经加热熔炼的合金原料液体通过机械搅拌、电磁搅拌或其他复合搅拌，在结晶凝 固过程中形成半固态浆料。下面的工艺分两种：其一是将半固态浆料直接压入模 具型腔进而成形，或对半固态浆料进行直接轧制、挤压等加工方式成形，即流变 成形；另一种是将半固态浆料制成坯料，经过重新加热至半固态温度，形成半固 态坯料再进行成形加工，此即触变成形。 1 1 3 1 流变加工 在凝固期间，对合金施加搅拌，使浆料中形成非枝晶固相，然后像液态金属 压铸一样直接将半固态浆料注入压型中成形，这种工艺称之为流变加工【“。 流变加工的工艺过程为：金属液一一流变浆料制各一压铸、挤压、模锻或 其他压力成形。 由于半固态金属浆料的保存和输送很不方便，因而制约了流变成形技术的发 展。目前实际应用的流变成形技术只有一种，即射铸技术( m j e c t i o n m o l d i n 9 0 1 t h i x o m o l d i n g ) ，仅用于镁合会( a i s t ms p e c i f i c a t i o n a z 9 1 d ) 的流变压铸成形， 产品为汽车、计算机和照相机零件。 j 前还出现了几种新的流变铸造i ：艺：低过热度倾斜板浇洼式流变铸造。 1 9 9 6 年，日奉u b e 公司申请了非机械或 e 电磁搅辩，的低过热发倾斜板浇江：的 流变铸造技术簟利，也称为n e w r h e o c a s t i n g ，简称n r c 。其王占水内容足：酋 武汉理工大学硕士学位论文 图1 - 1 工艺流程示意图 先降低浇注合金的过热度，将合金液浇注到一个倾斜板上，合金熔体流入收集坩 埚，再经过适当的冷却凝固。这时的半固态合金熔体中的初生固相就呈球状，均 匀分布在低熔点的残余液相中。最后对收集坩埚中的合金浆料进行温度调整，以 获得尽可能均匀的温度场或固相分数，就可以将收集坩埚中的半固态合金浆料送 入压铸机的射室、挤压铸造机的射室或锻造机的锻模中，进行流变铸造；收集坩 埚还可以盖上低导热的上盖，收集坩埚可以放置在一个圆盘或带式传送机上，圆 盘或带式传送机卜设置有均热装置，借此凋整半固态合金浆料的温度场；也可以 取消倾斜板，而任浇注时将收集坩埚倾斜，可取得与倾斜板相同的浇注效果。 1 1 3 2 触变加i ： 触变加工是将l 三制备的非枝品组织锭坯重新加热剑固液两十h 区达到适由：粘 度后，进行加i 成形。 武汉理工大学硕士学位论文 触变加工的工艺过程为：金属液流变浆料制备一制锭一一重新加热至 固液两相区一压铸、挤压、模锻或其他压力成形。该方法对坯料的加热、输送 易于实现自动化，是当今半固态铸造的主要工艺方法。 1 1 3 3 注射成形 注射成形( i n j e c t i o nm o l d i n g 或称t h i x om o l d i n g ) 1 3 】也有人将它归于流变铸 造一类。直接把熔化的金属液而不是处理后半固态浆液冷却至适宜的温度，并辅 以一定的工艺条件压射人型腔成形。此工艺方法与流变铸造的区别在于不需要事 先将原材料经搅拌成为半固态浆液。它与触变铸造的区别在于不需要将半固态浆 液制成半固态铸锭，再将铸锭加热后送人成形设备，而是类似于塑料的注射成形 法，因此简单、干净。其工作原理是由普通铸锭利用专用的装置以机械的方式切 成3 6 姗左右的粒状，在室温下通过料斗送人高温螺旋混合机加热，加热能量 由感应加热线圈和电阻加热元件提供，在加热区内同时受到机器剪切与加热，采 用惰性气体a r 作为保护性气体。在金属加热到半固态后进入定量触变浆料( 固相 率为3 0 5 0 ) 收集器，达到定量后以混料螺旋为活塞，通过喷嘴高速射人压 铸模具内，经充填凝固得到制品。特点是从固体坯料到铸件在一个装置内完成， 省去了外部熔融金属的处理及运输工序。但由于工艺与设备的局限性，该工艺材 料的选择性较小，常用的只有a z 9 1 d 、a m 5 0 a 和a m 6 0 b 等几种，而目前最成功的是 a z 9 1 d 。 i i 3 4 低温连铸 低温连铸就是控制金属液的过热度在o c 左右，并在铸型下方进行强制冷却 的铸造方法。该法的中心偏析是连铸中的大问题，且在连轧线材时可能会发生破 断。 1 1 3 5 薄带连铸成形 薄带连铸成形属于流变成形范畴，由于它是采用高速旋转搅拌和快速冷却相 结合的方法，成形后产品的组织均匀细小。f l e m i n g s 等人曾用s n 一1 5 p b 合金 进行带材连铸试验研究。结果表明，带材的组织形态与轧辊的压力、合金固相率、 流变剪切速度及连铸速度等因素有关。与其它成形方法相比，薄带连铸成形后带 材制品晶粒分布均匀细小，而且塑性也有较大改善。 1 1 3 6 流变复合成形 流变复合成形属于流变成形范畴，是在合金材料的固液区施加旋转搅拌，然 后把增强体( 非会属微粒或纤维) 不断加入会属基体中，随后维持在半固态或者迅 速升温罕液相线汴入模具中，实现半固态铸造或液态颦性加工，制造高均匀作的 金属基复合材料制 的成彤方法。传统会属蝽复合材料制作j ：艺是采用机械混 合、烧绀，和熔浸等，j 法，与此牛比，流，受复合成形成本低，制件新【织均匀且力学 4 武汉理工大学硕士学位论文 性能有提高。 1 1 3 7 新工艺 ( 1 ) 冷却斜坡法 冷却斜坡法【4 】的工作原理如图卜2 所示。由于斜坡具有强烈的搅拌作用，当 熔体经过斜坡时产生局部降温、强烈滚动和翻转，再注入铸型时，又产生强烈的 搅拌，即撞击、翻转和滚动等：然后通过控制铸型温度，使其中的金属液冷却到 一定的半固态温度后保温；当达到要求的固相体积分数时，再进行流变成形或触 变成形。 冷却斜坡法中，最主要的三个影响因素为：浇注条件( 主要示控制浇注温度 和斜坡温度) 、斜坡长度、斜坡倾斜角度。 铸 图1 2 冷却斜坡法示意图 ( 2 ) 双螺旋半固态金属流变注射成形法 图卜3 是双螺旋注射成形法1 5 】工作原理示意图，它包括4 个基本单元：液态金 属处理系统、双螺旋挤压器、注射系统、锁模机构。其中，双螺旋挤压器本身就 是半固态浆料制备器。首先在液态金属处理系统中制备半固态浆料，通过齿轮泵 形成一定的挤压力和挤压速度，然后在挤压模具中使半固态浆料成形。在整个流 变挤压过程中如何制备一定固相体积分数的半固态浆料，并以一定速度送入挤e 模具是关键。进行流变挤压的吲十【 体积分数一般在6 0 7 0 之| 日j 。如果固相体 积分数太低，挤j 上f 来的制品小能保持一定形状；如粜l 州相分数太高，会使制品 产生衷i f i | 裂纹。如果所需挤压力高于齿轮泉所能提供的最大挤j l 、力，会造成成彤 武汉理工大学硕士学位论文 过程中断。双螺旋流变挤压工艺在固相分数较低的情况下( 大约1 5 ) 可以制备出 l m 厚的薄板。 铸 加热器 图卜3 双螺旋流变注射示意图 传动系统 ( 3 ) m i t 法 麻省理工学院的f l e m i n g s 等人最近对流变铸造工艺的研究发现，影响形成非 枝晶半固态浆料的重要因素是合金的冷却和热传导。在一定的搅拌速度下，搅拌 2 秒时就能产生非枝晶半固态浆料，进一步提高搅拌速度对产生球形晶粒没有太 大影响。当合金温度低于液相线温度时，搅拌对合金最终的微观组织没有太大影 响，搅拌只是起到消除过热、促使合金形核固化的作用；而容器壁和浇注热传导 ( 对流) 对合金浆料组织有很大影响。基于上述观点，f l c m i n g s 等人于2 0 0 0 年提出 了新m 州6 】工艺，此方法是改进的流变铸造方法，它是在快速热释放的同时对合 金进行搅拌。首先将容器内合金保持在液相线以上几度的范围内；然后将一个带 有冷却装置的搅拌器伸入到容器内对合金液进行短时问搅拌，使合金温度迅速降 到液相线温度，由于在液相线温度附近的搅拌一冷却会使合金熔体内产生大量晶 核，致使熔融合金有少量的固相析出；再取出搅拌器，使合金在半固态区进行短 时间缓慢冷却或处于绝热状态；最后，将合金冷却到指定的温度进行成形。由于 这种方法所需设备简单，操作方便，很快地在流变铸造中得到了应用。 1 1 4 半尉态浆料的制备方法 半尉态坯料的制备关系到成形件的质黾平l 成本。它的制备就是采用一定手段 使半吲念浆料中的十| i 以球状或椭球状颗 i 分和于液相- f j o 其制备技术分为液抖l 武汉理工大学硕士学位论文 过程和固相过程两大类，对比不同生产技术的优缺点，目前普遍采用的技术是在 固相过程中对熔体施加强烈的搅拌作用，使树枝状晶体破碎为球状。 ( 1 ) 机械搅拌法 机械搅拌【7 l 通常分为不连续搅拌和连续搅拌，如图1 - 4 所示。对于机械搅拌制 备的半固态金属浆料固相颗粒尺寸在5 0 m 1 0 0 m 之间。在机械搅拌过程中， 搅拌叶片或浆料推进器与金属熔体直接接触。具有设备构造较简单、容易控制工 艺参数等优点。 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 的近球形微观结构。但是在搅拌腔体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 对坯料质量带来不利的影响。 图卜4 机械搅拌示意图 ( 2 ) 电磁搅拌法 电磁搅拌是利用电磁感应力将析出的枝晶破碎，属于非接触式搅拌技术。其 特点是金属液纯净，不卷入气体，适用于高熔点合金和大批量生产。电磁搅拌与 连铸设备相结合可以为后续触变成彤连续生产锭料，如图1 5 所示。电磁搅拌法 的主要缺点是：由r 感应电磁力从熔池边界剑半固态浆料中心呈衰减的趋势因 此这种方法不适合制备大尺寸的半同态会属锭料：由于要产生交变磁场，因此电 能消耗大、能源供给年【 定子等装胃体积大，而成本高、熔融金属叫川青凝同外 壳形成时，搅拌效粜人人减弱。 7 武汉理工大学硕士学位论文 图卜5 电磁搅拌示意图 ( 3 ) 应变诱导熔化激活技术 应变诱导熔体活化法( s t r a i ni n d u c e dm e l ta c t i v a t i o n ，简称s l m a ) ：首先制备 铸锭，然后对铸锭进行大的挤压变形，以获得晶粒细小的s i m a 原料，再将其加热 到固液两相区，进行半固态成型。此法的关键是如何对铸锭进行大的挤压变形， 以获得细小晶粒组织的铸锭。 应用该方法制备的金属纯净、产量大，是目前工业上进行半固态成形的主要 方法之一。但是由于它增加了预变形工序，使产品的生产成本提高。而且，由于 挤压设备的限制，目前该方法仅限于小型零件的生产。 ( 4 ) 其他方法 获得半固态金属浆料的方法还有剪切冷却法、晶粒细化热处理法、喷射沉积 法、超声振动法、粉末冶金法等，但这些方法目前还处于实验室研究阶段，尚不 能投入工业化生产。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 半固态成形的计算机模拟 1 ，2 1 模拟技术进展 半固态金属在压力作用下具有良好的流变性和填充性，但变形过程非常复 杂，目前对触变成形过程的模拟研究大多在一些商业有限元软件或有限差分软件 平台上进行。z a v a l i a n g o s 【】等在商业软件f l o w - 3 d 上，应用简化的数学模型， 采用有限元法对s n 1 5 p b 半固态材料的流变行为进行了模拟，导出了固相和液 相的连续性方程。 k a p r a n o s 和l ( i r h 咖d 【1 0 】等利用f l o w - 3 d 软件分别对半固态铝合金挤压成 形进行了模拟，并与实测压力一时间曲线进行了比较，揭示了粘度、应变速率和 时间相互之间的密切关系。 k a n g i l l l 等对固相含量仅为3 0 的a 3 5 6 铝合金坯料的锻造充型过程进行了 数值模拟，应用有限差分方法，并考虑传热及凝固等过程，通过求解 n a v i e r - s t r o k e s 方程来预测充型以及温度分布等规律。 d a e c h e o l 1 2 l 等首先应用a n s y s 有限元软件来模拟坯料半固态感应加热过 程，并应用自行开发的s f a c 2 d 有限元软件来模拟简单开模或闭模的半固态压 缩过程，采用伪塑性模型描述半固态坯料中的固体部分，采用d a r c y 定律来描述 液体部分。 c h o i l l 3 l 等应用有限元方法对a 3 5 6 铝合金复合挤压件的固相分布以及温度分 布情况进行模拟，并与实验结果进行对比，得到较理想的模拟结果。p e r e z 1 4 1 等 对金属半固态料浆的流变特性进行了计算机模拟。 m o d i g e l l l l 5 i 等应用同心圆桶流变仪测定了s n 1 5 p b 合金冷却过程的粘度变 化规律，假设半固态坯料为均匀的单相组织，采用状态方程描述应力，速率方程 描述组织结构等，再结合数值软件对触变铸造过程进行模拟，最后与实验结果进 行对比，得到满意的结果。j o n g h o o ny o o n i ”】等采用v o nm i s e s 屈服准则，并假 设半固态坯料为不可压缩的单相组织，然后应用有限元方法模拟了半固态材料的 变形特性。 高志强【”、杨湘杰f 1 8 1 等采用局部网格细化的l a g r a n g e 方法和商业有限差分 软件等手段对半固态会属成形过程进行了数值模拟，取得了一些有益的结果。许 洛萍，邵光杰，张恒华【1 9 z 0 1 等应用有限元方法对一模四腔以及复杂零件的半固 态压铸充型过程以及可能产生的卷气、疏松等缺陷进行预测，并与实测结果很好 吻合，并由此朱指导半固态压铸模具的设计与制造。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 2 模拟方法 半固态成形的充型过程模拟主要有以下几种方法： s i m p l e 法( s e m i i m p l i c i tm e t h o df o rp r e s s u r el i n k e de q u a t i o n s ，即称为压力 连续方程的半隐式方法) 。该方法由美国明尼苏达州p a t a n k a rsv 教授提出，可 以用来计算非定域、不稳定速度场，计算结果能满足连续性方程、动量方程的要 求。但该方法采用压力场和速度场同时迭代，计算处理速度较慢，此外对带有自 由表面流动的处理不太方便。 m a c 与s m a c 方法，m a c ( m a r k e r a f v dc e u 。) 方法由美国l o s a l a m o s 国家实验室提出，基于有限差分网格，将动量守恒方程和连续性方程进行离散， 并将二者合并成一个与压力有关的泊松方程，通过动量守恒方程和泊松方程的迭 代，求解出流动的速度场和压力场。可以用来求解类似于铸件充型过程的粘性、 不可压缩、非稳态，且带有自由表面的流动过程。但m a c 法求解流动问题速度 太慢以致影响其广泛应用。而s m a c 法( s i m p l i f i e dm a c ) 处理速度场时，在离 散后的差分方程迭代中没有压力项计算，而由校正势函数来取代并用来校正速度 场，校正后的速度场如不能满足质量守恒方程，则反复迭代势函数，修改速度场， 直至满足质量守恒方程。该方法的计算速度得到很大程度的提高。 s o l a v o f ( s o l u t i o na l g o r i t h m v o l u m eo ff l u i d ) 法由l o sa l a m o s 科学实验室 提出，求解速度场及压力场时，每个计算单元的校正压力直接由连续性方程算出 的速度求出，然后校正速度场。整个计算过程中速度初值及猜测压力值试算速度 场的过程并不参与迭代，计算速度快。与m a c 方法不同的是，s o l v 0 f 技术 采用体积函数f 来描述自由表面的位置，这使得自由表面的处理速度大大加快， 对计算机内存的要求显著降低，目前铸件充型流动问题大多采用此方法。 s o l a - m a c 法集m a c 和s o l a - v o f 两种方法之长，在求解流动问题时， 利用s o l a 方法计算速度场和压力场，利用m a c 方法中的标识粒子显示流动范 围的变化，跟踪自由表面的位置。这种方法处理形态较复杂的铸件充型过程流动 问题较快，对流动过程的模拟结果比较丰富、生动。该法可以得到速度分布图、 流线图、环流的位置、对铸型材料的冲击和剧烈流动的范围等结果。 此外，还有数值计算方法还有有限体积法( f i n i t ev o l u m em e t h o d ) ，f a n 法 ( f l o w a n a l y s i sn e t w o r km e t h o d ) 、格子气流体动力学法等。二十世纪9 0 年代后 还丌发了连续统一模型( c o n t i n u em o d e l ) ，适用于凝固区、固液两相区和液相区。 该模型为动晕二j ：恒方程、能量守恒方程和质量守恒方程提供了一个统的计算方 法，使得在计算动量传输的同时还町以计算热酷和质量传输，使计算史j j f j 全面、 准确。 由于半吲念合余触变性能的特殊r t ，目前还没有找到符台实际情况的真实物 0 武汉理工大学硕士学位论文 理模型和数学模型，借助铸造过程仿真软件进行研究的结果尚不能完全解释变形 过程中的一些现象。如半固态合金变形时粘度不仅是固相分数和剪切速率的函 数，还与时间密切相关，而在模拟半固态压铸时，一般均忽略时间的影响。在半 固态成形工艺、尤其是半固态成形过程的计算机仿真方面还需要进一步深入研 究，并需要把粘度模型、模具内的热交换及凝固等复杂过程加以综合考虑。 1 3 国内外发展现状 当前，半固态技术应用得最广泛和成功的领域就是汽车行业，美国、欧洲和 日本是半固态成形技术研究和应用的主要地区。美国的a e m p 公司是世界首家 具备s s m 商业化生产能力的厂家，1 9 7 8 年，该公司使用电磁搅拌技术生产出 供触变成形用的圆锭，随后建成了世界上第一条高容量和高度自动化的触变成形 生产线，用于生产铝合金汽车零件，并拥有相关专利6 0 多项。从上个世纪8 0 年 代末开始，该公司为美国福特汽车公司生产了1 5 0 0 万件铝合金压缩机活塞，其 成品率几乎为1 0 0 。在欧洲，意大利是半固态加工技术商业化应用最早的国家 之一。s t a m p a l 公司是一个从事铝合金触变成形的欧洲厂商，能够生产9 0 1 1 0 m m ， 长度为4 0 0 0 m m 的锭坯，并采用该技术为福特汽车公司生产z e t a 发动机油料 注射挡块，生产率为1 6 0 件4 , 时。英国s h e f f i e l d 大学的p k a p r a n o s 等在 1 0 0 k n 锻压机上进行半固态模锻成形，成功制出尺寸精度极高的a 3 5 7 铝合金 锻件和m 2 工具钢齿轮等零件。德国的e f ug m b h 公司用半固态压铸的方法制造 了铝合金汽车主连杆，具有叉筋的厚臂件( 臂厚2 ，5 m m 、长5 0 0 r a m 、宽9 0 m m ) 日本在1 9 8 8 年就设立了金属半固态加工开发研究公司，川崎制铁、住友金属、 神户制铁、三菱重工等1 7 家公司为该项基础技术研究出资开展半固态成形技术 的基础研究，于1 9 9 4 年完成此项计划，并开始进一步转入半固态金属成形件的 产品的开发，已有公司利用该技术生产铝合金轮毂。 国内对半固态金属成形的研究始于2 0 世纪8 0 年代，相对落后于西方先进 工业国家，但近几年来进步较快，已有不少高校和研究机构开展了这方面的研究 工作，并自行设计了不同类型的实验设各，在半固态金属成形技术的基础理论研 究中得了一些成果。如东南大学，北京有色金属研究总院、北京科技大学、哈尔 滨工业大学、东北大学、清华大学、重庆大学等单位。其中北京有色金属研究总 院利用电磁搅拌设备己能够连续生产直径为8 0 m m 的铝合会半固态坯料，并正 在j 东风汽车公司合作试验用半固态针：合会生产汽乍空压机连r 及轿车水泵盖。 北京科技大学承担的幽家8 6 3 基金项目，, e l j 电磁搅拌法成功制备出半固态 a i s i ，m g 合金连铸坯料，娃微组织理想，并用触，堡成形出汽车制动总泵体毛坯。 ”外蓖庆大学与中国嘉陵袋团重庆九方铸造公州台作，采用。实验室与实际生产相 武汉理工大学硕士学位论文 结合的方法，成功地摸索出一套半固态零件成形的合理工艺路线，并采用触变成 形技术成功制成j h t 0 型摩托车发电机支架镁( 铝) 合金支架。2 0 0 1 年，山西 恒裕铝业有限公司与清华大学合作，开发汽车和摩托车零件的半固态加工技术。 华中科技大学研制了集半固态浆料制备、输送和注射成形于一体的半固态镁合金 流变注射成形机，产品力学性能较普通压铸件提高2 0 。 1 4 选题意义和主要研究内容 半固态金属加工是近年来金属加工技术研究的热点，应用范围广泛，凡具有 固一液两相区的合金均可实现半固态加工，如铝合金、镁合金、锌合金、镍合金、 铜合金及钢铁材料等。半固态加工过程中，浆料充型平稳，无湍流和喷溅。相对 传统的全液态铸造加工技术而言，有以下优点：加工温度低，模具热负荷小，从 而使模具寿命延长；能耗少，效率高，半固态金属粘度低，易自动控制；凝固时 间短，生产率大幅度提高；凝固收缩小，无气孔，成品完整性高，成品组织均匀 细小、机械性能高，并可通过热处理获得优异的机械性能。铝合金半固态触变成 形技术因工艺可控性强、过程较稳定且易操作，因而较快地进入了工业化生产。 目前，欧美、日本等工业发达国家的研究处于领先水平，已进入工业应用阶段， 商业化生产铝合金半固态成形零件的发展势头在逐年增加。国内从2 0 世纪9 0 年 代开始此技术的研究与开发。经过十多年的发展，在半固态金属触变成形技术的 理论研究和工业应用方面取得了很大进展，已经具备了向产业化转化的技术基 础。因此通过实验及其数值模拟，研究半固态电磁搅拌过程中流体的运动特征和 规律，以及不同的搅拌参数下流体运动变化的趋势。 具体研究内容包括： ( 1 ) 半固态浆料的制备过程中，对浆料的搅拌时间、搅拌强度和搅拌温度 加以控制，以获得更加细小更加圆整的晶粒。 ( 2 ) 用a n s y s 软件对半固态浆料成形过程的电磁场和流速场进行耦合模拟， 对各工艺参数下的模拟结果进行对比分析。 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 电磁搅拌技术 第二章电磁搅拌原理 电磁场技术在材料加工领域的运用，归功于研究电磁场与导电流体间相互作 用的电磁流体力学1 2 1 l ( m a g n e t i ch y d r o d y n a m i c s ，简称m h d ) 的发展。电磁流体 力学是研究电磁和流体流动之问相互关系的科学，涉及电动力学、磁动力学和流 体力学等方面。 对金属流体施加电磁场时，由于熔融的金属是良好的导电体，根据电磁感应 原理，可以在金属流体中产生电磁力的作用。电磁力具有非接触地对金属流体产 生加热、搅拌等功能。m i l l ) 技术已广泛应用于冶炼、精练、连铸和铸造等诸多冶 金领域。在铸造过程中，通过电磁力改变金属熔体表面形状，传质和流动过程改 善铸锭表面质量和内部组织结构，从而达到制备优质产品的目的。1 8 2 3 年，法 拉第就开始测量流体在磁场中地流动。1 9 6 1 年，l a n g e n b e r g 2 2 】提出交变电磁场 可以使金属流体组织细化，揭开了电磁技术在冶金及材料加工领域应用的序幕。 然而，自至1 9 8 2 年在英国召开的国际力学理论和应用技术联合会议才第一次出 现了材料电磁加工的技术术语。近几年来，材料的电磁加工广泛应用于有色金属 和黑色金属的冶金过程及其他材料加工领域，极大地推动了材料科学的飞速发 展。 金属半固态流变加工过程中浆料的制备主要有两种方法，一种是机械搅拌 法，另一种是电磁搅拌法。采用机械搅拌法时，由于搅拌片长时间在液相线温度 以上工作，因此磨损严重，增加了生产的成本，同时搅拌棒易于污染金属，这给 半固态流变过程浆料的制备带来了难以克服的困难。然而采用电磁搅拌法就不会 遇到这种难题。电磁搅拌( e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i