（材料加工工程专业论文）AlSilt9gtMg合金半固态坯料制备有限元分析及工艺参数优化.pdf

a i s i 9 m g 合金半固态坯料制各有限元分析 及工艺参数优化 摘要 为了从根本上解决近液相线浇注法制各半固态坯料的工艺参数多而复杂相 关、质量难保证的“瓶颈”问题。将数值模拟技术应用于近液相线浇注法制各 a i s i 。m g 合金半固态坯料过程的分析，研究了浇注温度、浇注速度、冷却方式、 浇注高度等工艺参数对充型、凝固过程中的速度场、温度场的影响，进而分析 其对半固态微观组织的影响；总结出各工艺参数对半固态微观组织的影响规律。 得出了一定的结论：浇注过程中，金属液以轴向流动为主。周向流动相对较弱。 随着浇注的进行，周向流动逐渐增强。浇注过程中金属液的扰动剪切力很大， 是形成非枝晶组织的重要原因。浇注温度的降低，浇注速度的增加，冷却强度 的降低、浇注高度的增加都有利于获得优异的半固态非枝晶组织。 基于数值模拟研究得到的温度场、流场规律，选取合适的工艺参数，再根 据正交试验设计原理，设计正交试验数据表，进行正交试验及多目标分析，得 出各工艺参数的主次关系、重要程度，进而优化半固态坯料制各的工艺参数， 并得出了一定的结论。就对温度场的影响瓶言，各工艺参数的主次关系为：冷 却方式 浇注温度 浇注速度 浇注高度；冷却方式对温度场的影响最为显著， 浇注温度、浇注速度其次，而浇注高度最弱。相对冷却方式而言，其他三个因 素的影响可以忽略。就对流场的影响而言，各工艺参数的主次关系为：浇注速 度 浇注高度 浇注温度 冷却方式；浇注速度对流场的影响最为显著，浇注高 度、浇注温度其次，而冷却方式最弱，相对于浇注速度而言，其他三个因素的 影响几乎可咀忽略。 在所选的参数范围内，最优的一组工艺参数组合为：浇注温度为6 1 0 ， 浇注速度为i 2 k g s 浇注高度为2 0 m m ，冷却方式为模具预热温度2 0 0 。 实验研究结果表明：本文数值模拟分析的结果是正确的：近液相线浇注法 能有效地获得具有均匀、细小的粒状初生晶的a i s i 9 m g 合金半固态坯料。 关键词：半固态；a 1 s i 9 m g 合金；坯料制备；近液相线浇注法 数值模拟；正交试验分析 t h ef e mr e s e a r c ha n dt e c h n i c a lp a r a m e t e r so p t i m i z i n go ft h e p r o c e s so fa i s i g m g a l l o y s e m i s o l i db i l l e tp r o d u c t i o n a b s t r a c t t op r o m o t et h ea p p l i c a t i o no fs e m i - s o l i df o r m i n gt oi n d u s t r y , t h en u m e r i c a l s i m u l a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e na p p l i e dt ot h ea n a l y s i so ft h ep r o c e s so fa 1 s i g m g a l l o ys e m i s o l i db i l l e tp r o d u c t i o nb yp o u r i n gn e a rl i q u i d s t l e f f e c to fp o u r i n g t e m p e r a t u r e ，p o u r i n gh e i g h t ，p o u r i n gv e l o e i t ya n dc o o l i n gc o n d i t i o no nt h ev e l o c i t y f i e l da n d t e m p e r a t u r eg r a d i e n t h a sb e e n i n v e s t i g a t e d ，a n d t h ee f f e c to n m i c r o s t r u c t u r eo ft h es e m i - s o l i db i l l e th a sa l s ob e e nr e s e a r c h e d t h er e s u l t so f n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ts h o w st h a t ：t h el i q u i dm e t a l f l o w sm a i n l y a l o n ga x i s ，o n l yal i t t l em e t a la l o n gr a d i u s ，b u tm o r ea n dm o r em e t a iw i l lf l o w a l o n gr a d i u s a sar e s u l t ，t h es h e a r i n gs t r e n g t ho ft h el i q u i dm e t a li sv e r yl a r g e ， w h i c hh a v eas i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nt h ef o r m i n go fn o n d e n d r i t eg r a i n s al o w e r p o u r i n gt e m p e r a t u r e ，al o w e rc o o l i n gi n t e n s i t y , ah i g h e rp o u r i n gh e i g h ta n dah i g h e r p o u r i n gv e l o c i t ya r ep r o n et of o r m i n gs p h e r i c a lo rn o d u l a rg r a i n s t h e nb a s e do nt h er e s u l t so ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h ep r i n c i p l eo ft h e o r t h o g o n a le x p e r i m e n t a t i o n ，s e l e c ta p p r o p r i a t et e c h n i c a lp a r a m e t e r s ，a n dr e s e a r c h t h er e l a t i o no ft h et e c h n i c a lp a r a m e t e r s t h er e s u l ts h o w st h a ta sf a ra st h e t e m p e r a t u r e ，t h ee f f e c to fc o o l i n gi n t e n s i t yi st h eb i g g e s t ，f o l l o w i n gw i t hp o u r i n g t e m p e r a t u r e ，p o u r i n gv e l o c i t y , p o u r i n gh e i g h t c o m p a r e dw i t ht h ee f f e c to ft h e c o o l i n gi n t e n s i t y ，t h eo t h e r sc a nb ei g n o r e d a sf a ra st h ef l o wf i e l d ，t h ee f f e c to f p o u r i n gv e l o c i t yi st h eb i g g e s t ，f o l l o w i n gw i t hp o u r i n gh e i g h t ，p o u r i n gt e m p e r a t u r e ， c o o l i n gi n t e n s i t y c o m p a r e dw i t ht h ee f f e c to ft h ep o u r i n gv e l o c i t y , t h eo t h e r sc a n b ei g n o r e d t h eb e s tt e c h n i c a lp a r a m e t e ra r r a yi st h eo n eo fp o u r i n gt e m p e r a t u r ei s 6 1 0 c ，p o u r i n gv e l o c i t yi s1 2 k g s ，p o u r i n gh e i g h ti s2 0 r a m ，a n dt h ed i eh e a tu pt o 2 0 0 t h ee x p e r i m e n tr e s u l to ft h et r u ep r o c e s ss h o w st h a tt h er e s u l to ft h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sc o r r e c t , a n dt h i st e c h n o l o g yc a no b t a i nt h ew o n d e r f u l a l s i g m ga l l o ys e m i - s o l i db i l l e tw i t hs p h e r i c a lo rn o d u l a rg r a i n s k e yw o r d s ：s e m i - s o l i d ；a 1 s i g m g ；b i l l e tp r o d u c t i o n ；l i q u i d u sc a s t i n g ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；o r t h o g o n a le x p e r i m e n t 插图清单 图2 i 正交原理示意图一9 图3 1 有限元分析求解过程1 6 圈3 - 2m e s hc a s t 文件读入及网格划分图1 7 图3 - 3 体网格图1 s 图3 4 热传导系数随温度变化图1 9 图3 - 5 比热随温度变化图1 9 图3 - 6 热焓随温度变化图1 9 图3 7 固相率随温度变化图1 9 图4 1 方案1 的速度矢量图2 4 图4 - 2 方案2 0 的速度矢量图2 6 图4 - 3 浇注温度和速率对应关系图2 7 图4 - 4 浇注速率和速率对应关系图2 7 图4 - 5 冷却方式和速率对应关系图2 7 图4 - 6 浇注高度和速率对应关系圈2 7 图4 7 方案l 的温度分布图2 8 图4 8 方案1 2 4 在2 0 s 时的温度分布图3 9 图4 - 9 方案l 的冷却曲线图3 1 图4 1 06 2 0 沿侧壁浇注时冷却曲线- 3 1 图4 1 1 方案1 的温度梯度分布图3 2 图4 1 2 浇注温度和温度梯度对应关系图3 2 图4 1 3 浇注速度和温度梯度对应关系图3 2 图4 1 4 冷却方式和温度梯度对应关系图3 2 图4 1 5 浇注高度和温度梯度对应关系图3 2 图5 1 各工艺组合的温度梯度直方图3 8 图5 - 2 各工艺组合的速度直方图3 8 图5 3 各工艺参数的温度梯度4 0 图5 - 4 各工艺参数的铸型中心点流入速率4 l 图5 5 优化试验结果直方图4 2 图6 1 浇注示意图4 5 图6 - 2 试件取样示意图4 5 图6 3 不同浇注温度时的微观组织4 6 图6 - 4 不同浇注工艺时的微观组织4 8 图6 - 5 最优工艺参数时的微观组织4 9 表格清单 表3 1a 1 s i 9 m g 合金化学成分1 8 表3 - 2h 1 3 钢化学成分一1 8 表4 1 数值模拟方案2 4 表5 1 工艺参数及水平- 3 5 表5 2l t 6 ( 4 4 ) 正交表3 6 表5 3 正交试验工艺参数表3 6 表5 4 试验结果”3 7 表5 5 最佳工艺参数组合列表3 8 表5 - 6 温度梯度3 9 表5 7 铸型中心点的流入速率1 4 0 表5 8 优化试验的工艺参数表4 2 表5 - 9 优化试验的数据结果- 4 2 表6 一l 实验用a i s i g m g 合金化学成分4 4 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泉。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得佥墅王些太堂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已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 靴做储样蝌签字魄坶j 1 增 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒胆王些左堂有关保留、使用学位论文的规定，有救保留并向 国家有关部门或机构送变论文的复印件和磁盘允许论文被查阅或借阅。本人授权佥e 巴王些盘 堂一可以将学位论文的全部或部分论文内容编八有关数据库进行检索，可以采, e l i 影r = o 、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) 学位做者签名弘柙 新娩 签字日期：文棚年r 月) 阳签字日期： 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 屯话 邮编 弘 瑚 先 月 乒 致谢 在本文即将完成之际，首先对我的导师薛克敏教授的辛勤培养与无私关怀 表示衷心的感谢! 导师渊博的知识、严谨的治学态度和非凡的敬业精神一直激 励着我，从他身上我看到了坚忍不拔、兢兢业业的精神品质，这些品质将使我 在未来的学习和工作中受益匪浅。在学习期间，导师无时无刻不在关心着我们， 无论从选题、论文的撰写还是最终的审查，他都关注着每一个细节，给予我们 悉心的指导并提出宝贵的意见，还为我们提供了优越的学习和工作环境。在此， 谨向我的恩师致以由衷的谢意和诚挚的祝福。 特别感谢李萍教授在数值模拟方面对我的悉心指导和在生活上给予的帮 助。 在课题进行过程中，得到了刘全坤教授、陈文琳副教授、陈忠家副教授、 李辉老师热情的指导和帮助，在此向他们表示诚挚的谢意! 在这里，还要感谢赵茂俞、周林、周明智、弭光宝、张青、段圆培、李鹏 耀、金洁、肖飞、洪志强、方勇、汪昌盛、金有昌、王清瑞、丁林高、赵传涛 等同学和好朋友两年多来给予我的热情帮助和支持! 同时，还要感谢0 4 0 2 班的 全体同学! 还要感谢在半固态领域做出了贡献的人们! 最后，把最真挚的感谢献给我的父母、兄弟，他们和我一起走过生活的喜 怒哀乐，一直在我身后默默地支持和鼓励着我，感谢他们! 作者：张早明 2 0 0 7 年4 月 第一章绪论 1 1 半固态成形技术简介 2 0 世纪7 0 年代初，美国麻省理工学院f l e m i n g s 、d b s p e n c e r 等人在研究 s n 一1 5 p b 合金热裂现象时，偶然发现了非枝晶组织的流变性及其性能特点，并 由此发明了一种与传统铸造工艺不同的新型铸造工艺一一搅动铸造工艺( s t i r c a s t ) ，这种工艺慢慢的发展成为现代的半固态成形技术l l j 。 半固态成形技术是指在金属的凝固过程中采用某些特殊工艺使枝晶破碎、 球化，保留分散的颗粒状组织形态，这样的显微组织在固相率达到6 0 时仍具 有一定的流动性，具有这种特殊结构的部分凝固金属不但具有高粘度浆体的特 性，还可以用传统的铸造工艺如压铸成形，或在高固相含量时通过压力加工工 艺成形。而在常规铸造中，固相分数达到2 0 时，初生相枝晶即搭成骨架使 熔体失去流动性“j 。 半固态成形技术集铸造的精密成型和锻造的优良性能于一体，是一种近终 形的成形工艺，并具有成形温度低、模具寿命长、成形件表面平整光滑、内部 组织致密、缺陷少、力学性能好、成形性好，生产效率高，制品尺寸精度高， 表面质量好、可成形薄壁件和复杂件等一系列突出的优点，为精确成形、高性 能、节能、环保等问题的综合解决提供了一条新的技术途径，因而从2 0 世纪 9 0 年代初开始，在国外有了飞速的发展，已逐步成为各发达国家竞相发展的一 个领域。其节约能源、减少资源浪费、有利于环境保护的特殊优点更符合面 向新世纪的金属加工技术的特点。因此该技术已经在汽车零件制造、军事、航 空，电子以及消费品等方面得到了越来越广泛地应用。被世界著名的专家们称 为2 1 世纪新兴的金属制造关键技术之一 j 。 1 2 半固态坯料的制各方法 半固态坯料制各是半固态成形技术的基础与关键。因而，人们对半固态成 形技术的研究有很大部分集中在坯料制备的工艺优化和工艺开发等方面。 在半固态坯料制备方面，国内外学者己做了大量的研究工作，提出了许多 工艺方法，包括机械搅拌法、电磁搅拌法、应变诱发熔化激活法、喷射沉积法、 紊流效应法、粉末冶金法、近液相线浇注法等。 1 2 1 机械搅拌法 机械搅拌法就是在金属凝固过程中通过机械搅拌产生强烈的金属液流动， 从而改变金属凝固形核和长大的条件，造成常规的枝晶状结晶生长方式受到抑 制或使正在生长过程中的枝晶破碎，使得初晶相演变为近似球形的微观组织 【4 8 】。 1 2 2 电磁搅拌法 电磁搅拌法是利用旋转电磁场在金属液中产生感应电流，金属液在洛伦兹 力的作用下产生运动，从而达到对金属液搅拌的目的 9 - 1 2 。 1 2 3 其他工艺方法 由于机械搅拌法、电磁搅拌法的缺点逐渐被发现，开发新的坯料制备工艺 也就被科技工作者们重视起来。随着对半固态研究的深入，人们认为半固态坯 料制各的关键在于细小球状晶的获得，于是就有了第三类方法。这类方法的共 同点在于：不依靠外力搅拌来获得半固态组织，同时，也就不存在熔融金属被 污染而影响到材料的性能等问题。这类方法大多尚处于实验研究阶段，有很大 的研究空间。 ( 1 ) 应变诱发熔化激活法( s 1 m a ) 应变诱发熔化激活法是预先连续铸造晶粒细小的金属锭，再将其热态挤压 达到2 0 左右的变形，在组织中预先储存部分变形能量，最后按需要将变形后 的金属锭分切成一定大小，加热到半固态，在加热过程中，首先发生再结晶， 然后部分熔化，使固相晶粒分散在液相基体中，得到半固态坯料i l ”】。 ( 2 1 喷射沉积法 喷射沉积法是在金属熔化成液态金属后，雾化为熔滴颗粒，在喷射气体作 用下部分凝固的微滴直接沉积在收集板上，当每个熔滴的冲击能够产生足够的 剪切力打碎熔滴内部形成的枝晶时凝固后便成为颗粒状组织，经加热到局部熔 化时，可得到具有球形颗粒固相的半固态合金l l “j 。 ( 3 ) 超声波处理法 v 1 n o b a t k i n 等人提出了在液态金属中加细化剂。并进行超声波处理后获得 半固态坯料的方法，被称为超声波处理法j 。 ( 4 ) 粉末冶金法 粉末冶金法是指根据合金成分的需要，将两种或两种以上的不同熔点的固 态粉末按一定比例均匀混合，并压成一定的形状，制成试样，然后快速加热到 低熔点合金的熔点以上，低熔点合金的粉末熔化而高熔点的合金仍以颗粒状保 持在液相基体中，并在后续的工艺中配以快速升温，适当的保温，形成固液混 合的半固态坯料的方法i i ”。 ( 5 ) 斜管法 斜坡法是近期从日本兴起的一种新型制坯工艺，该方法是使金属熔体在流 经一个冷却斜坡时由于冷却斜坡的冷却作用而增加晶核的数目，从而达到细化 晶粒，获得理想的非枝晶组织的目的。而斜管法制备半固态坯料工艺是南昌大 学半固态成型技术研究室于2 0 0 2 年在斜坡法的基础上改进的制坯工艺。其与斜 坡法的区别主要在于采用的是封闭的斜管，可以扩大其应用范围，如可以应用 于极易氧化的镁合金的生产1 2 。 最近，他们在斜管法的基础上加以改进，变静态斜管为转动管，对合金液 凝固初期实施搅动，从而获得更多的游离晶粒【2 ”。 ( 6 ) 近液相线浇注法 近液相线浇注法的原理是将合金熔体冷却至液相线温度附近保温一定时间 形核后，进行浇注。获得具有均一、细小的非枝晶组织。 该方法的工艺参数有：浇注温度、浇注高度、浇注方式、保温时间、冷却 速率等。接近液相线温度浇注可稳定地获得理想的非枝晶组织，提高浇注高度 使非枝晶组织更圆整、细小，接近液相线温度、沿侧壁浇注及对熔体施以极短 时的以轴向为主的流动也能获得良好的非枝晶组织，而底注法和对熔体施以极 短时的以周向为主的流动只能得到枝晶组织【2 2 1 。 中国科学院和1 5 1 本的a r e s t 研究所及东北大学研究发现，通过控制合金的 浇注温度，在近液相线温度进行浇注，不需任何搅拌，初生技晶组织便可以球 化。 然而，这种工艺方法不稳定，有待于进一步研究。研究和生产表明 2 3 z s j ， 在目前的工业生产与实际应用中，半固态铝合金的制各和研究最成功、最广泛。 近液相线浇注法工艺简单、适用合金范围广、生产效率高，是半固态坯料 制备的发展方向之一。将它和其它方法( 搅拌法、斜管法等) 结合在一起，应 是今后研究的重点。 ( 7 ) 紊流效应法 紊流效应法是指在金属液通过特制的多流装置时，使金属液的流动产生紊 流效应，打碎形成的枝晶，从而获得具有流变特性的半固态坯料【2 ”。 ( 8 ) 固液混合铸造法 固液混合铸造法是一种通过向过热的合金熔体中加入大量的同种合金粉末 或润湿性好的异种合金粉末，并经强烈搅拌后获得半固态非枝晶组织的坯料制 各方法1 2 7 1 。 ( 9 ) s e u 法 东南大学( s e u ) 的学者将添加有微量元素的z a l 2 常规铸锭重新加热至固、 液两相区进行半固态等温处理，获得了理想的非枝晶组织【2 ”。该方法工艺简单， 能源消耗低，是一种很有前途的工艺。与这种工艺的基本原理相同的工艺有半 固态等温热处理法【2 9 。1 。 1 3 坯料制备的数值模拟 半固态成形技术是一门年轻的技术，人们对它还了解不多；而且半固态金 属成形受到半固态加热工艺参数、搅拌工艺参数、半固态成形工艺参数以及模 具设计等诸多因素影响，难以进行有效控制，从而使该技术的应用与推广受到 一定限制。因而，利用计算机模拟，分析半固态金属成形工艺过程，掌握其规 律，控制和优化工艺参数，为坯料制各、流变成形、二次加热和触变成形进行 有效的指导，提高产品质量具有十分重要的意义。目前，半固态数值模拟研究 主要集中于流变成形、二次加热和触变成形三方面，而半固态坯料制备方面则 研究很少3 ”。 半固态坯料制备是半固态成形的关键，国内外对此进行了大量的研究。开 发了许多坯料制各工艺。目前半固态坯料制备的研究大多集中于实验研究， 而将数值模拟技术用于半固态坯料制备过程分析的很少，国内只有东北大学、 东南大学、哈尔滨工业大学、华中科技大学等少数单位进行了这方面的工作 3 9 - 4 3 。尤其在近液相线浇注法制备半固态坯料方面，国内报道的就更少i j 。 哈尔滨工业大学罗守靖、张晓华等人采用等径道角挤压技术制各a z 9 1 d 镁舍金半固态坯料，利用拉伸试验机，金相显微镜等检测手段。对坯料力学性 能和微观组织进行了测试和观察，指出等径道角挤压工艺，可以极大地细化金 属晶粒，提高材料的力学性能，并分别分析了加热温度，挤压道次，以及挤压 路径对最终金相组织和力学性能地影响。进而采用有限元方法，对等径道角挤 压进行了数值模拟，探讨了等径道角挤压的工艺过程，不同温度下的应变场。 应变场的均匀性以及摩擦对载荷的影响，指出不同温度下。挤压后的坯料具有 不同的应变场，坯料应变具有不均匀性和不同时性，摩擦对挤压所需载荷具有 重要作用，为从本质上把握等径道角挤压工艺方法提供了必不可少的理论依据 和数据积累p ，j 。 东北大学温景林、占国灿等人利用s c r 技术进行了一系列不同工艺条件 下，a 2 0 1 7 半圆念坯料制备的实验研究，优化a 2 0 1 7 半固态坯料制各的工艺参 数，并对其制各过程中热流耦合场进行有限元三维模拟，进而全面、精确、动 态地研究半固态坯料制备过程，为利用s c r 技术制备半固态材料的实际应用奠 定了理论和技术基础1 4 0 ，”j 。 东南大学潘冶、张春燕等人对结晶控制法制各半固态铝合金的充型及凝固 过程温度场和流动场进行了数值模拟研究，发现充型流动以轴向流动为主，伴 随有较弱的周向流动。充型结束后，在惯性力和温差的作用下，较强的熔体流 动仍然持续一段时间，这种流动对同时进行的凝固过程会产生影响。计算机对 充型及凝固过程的数值模拟还显示在接近液相线温度浇注条件下，充型过程中 已有部分熔体过冷，凝固初期，熔体的流动仍然较强；但常规浇注条件下，充 型过程尽管温降很大，当熔体温度降到液相线温度时，熔体流动己经很弱，对 凝固过程影响不大 4 4 j 。 1 4 半固态台金 半固态加工技术适用于有较宽液一固相共存的合金体系。研究和生产表明 4 5 - 4 6 ，适用于半固态加工金属有：铝合金、镁合金、镍合金、铜合金以及钢铁 等，但在目前的工业生产与实际应用中，半固态铝合金的制备和研究最成功、 最广泛。这主要是因为铝合金的熔点较低，使用范围广泛，非常适合半固态金 属加工。而在铝合金的研究中。现在关注最多的还是偏离共晶点较远的一些亚 共晶和过共晶合金，对靠近共晶点的合金则很少涉及，其原因在于在共晶点附 近，固液相区问小，温度控制的要求比较高，半固态坯料制备的难度大。 综合国内外半固态成形技术的发展现状和关键问题，本研究以半固态坯料 制备这一关键技术为切入点选取a l s i m g 合金为研究对象，对近液相线浇注 法制备半固态坯料成形过程进行数值模拟研究。 1 5 本课题的来源、目的、意义及内容 1 5 1 课题的来源： 安徽省优秀青年科技基金项目( 0 4 0 4 4 0 5 8 ) 一一材料成形新工艺。 1 5 2 课题的目的： 为了促进半固态成形这一先进生产技术在生产实践中的应用，使理论研究 更好的服务于实际生产，本课题采用数值模拟与物理实验相结合的方法研究了 近液相线浇注法制备a 1 s i ，m g 合金半固态坯料的过程，观察其显徽组织、流场、 温度场，进而采取相应措施进行控制。为此，本文期望达到以下两个研究目的： ( 1 ) 通过对近液相线浇注法制备a 1 s i g m g 合金半固态坯料的热流耦合场的 有限元数值模拟，获得不同工艺参数对半固态坯料制备过程中的温度场、流场 变化的影响规律，进而对半圆态坯科微观组织的变化进行预测； ( 2 ) 通过对工艺参数的正交试验及分析，优化半固态坯料制各的工艺参数， 而获得优异的半固态组织，并结合实验研究，为该方法制各半固态坯料提供了 理论分析依据和技术数据，进而有力地推动半固态成形技术的实际生产应用。 1 5 3 课题的意义 ( 1 ) 采用近液相线浇注法制各半固态坯料，简化工艺流程，降低能源消耗， 降低成本； ( 2 1 数值模拟可以指导物理实验，减少物理实验的试验次数，增加物理实 验的可靠程度： ( 3 ) 数值模拟技术应用于半固态坯料制各工艺参数优化中，将从根本上解 决了半固态坯料制备工艺参数多而复杂相关、质量难保证的“瓶颈”问题； ( 4 ) 完善半固态成形理论，为后续半固态成形做好基础，促进半固态成形 技术在材料加工行业中的应用，提高整个材料加工行业应用先进制造技术的水 平。 1 5 4 研究的主要内容： ( 1 ) 为探索近液相线浇注法制备a i s i g m g 合金半固态坯料的热流耦合场的 变化规律获得不同工艺参数对半固态坯料制备过程中的温度场、流场变化的 影响规律，进而对半固态坯料微观组织的变化进行预测：本文对该过程进行了 有限元数值模拟研究； ( 2 ) 基于数值模拟研究得到的温度场、流场规律，选取合适的工艺参数， 再根据正交试验设计原理，设计正交试验数据表，进行正交试验及多目标分析， 得出各工艺参数的主次关系、重要程度，进而优化半固态坯料制备的工艺参数： ( 3 ) 对数值模拟的结果进行物理实验验证及分析。 1 5 5 论文各章节的安排 本文将数值模拟技术应用于近液相线浇注法制备a 1 s i 9 m g 合金半固态坯料 过程的分析，研究了浇注温度、浇注速度、冷却方式、浇注高度等工艺参数对 充型、凝固过程中的速度场、温度场的影响，进而分析其对半固态微观组织的 影响总结出各工艺参数对半固态微观组织的影响规律。并得出了一定的结论： 浇注温度的降低浇注速度的增加，冷却强度的降低、浇注高度的增加都有利 于获得优异的半固态非枝晶组织。 在上述规律的基础上，又进一步根据正交试验设计原理设计并进行了正交 试验，总结出一些工艺规律。接着对工艺参数进行优化，得到一组最优的工 艺组合，为近液相线浇注法制备a i s i 9 m g 合金半固态坯料提供了必要的实验和 技术依据。 最后，为了验证本文数值模拟豹正确性，进行了实验研究。 本文分为7 章，分述如下： 第一章，绪论。主要是从四方面： ( 1 ) 半固态的概念 ( 2 ) 半固态坯料的制各方法， ( 3 ) 半固态的数值模拟， ( 4 ) 半固态合金， 描述国内外的研究、发展现状，进而指出在这四方面，当前的研究还存在的不 足及有待进一步研究之处，为本课题的立论提供依据。最后，阐述了本课题的 目的、主要内容及意义。 第二章，正交试验设计及有限元理论基础 主要介绍正交试验设计和有限元两方面的基础理论，主要包括： ( 1 ) 什么是正交试验设计，正交试验设计的意义，正交试验设计中的名词、 基本工具，正交试验法的原理解释；怎么进行正交试验设计：如何进行正交分 析及其原理； ( 2 ) 热流耦合场基本定律，广义牛顿定律，质量守恒、动量守恒方程和导 热偏微分方程的描述：控制方程的有限元列式的描述；有限元分析中的雷诺数、 流体类型、潜热、密度。 第三章，数值模拟关键技术 按照数值模拟的操作顺序，描述了数值模拟各阶段存在的部分关键技术及 难点：有限元模型的建立，材料性能参数选择，工艺条件的处理，界面条件的 处理，模拟参数的处理以及判据准则的计算等。 第四章，坯料制备过程的数值模拟及分析 依据近液相线浇注法的基本原理，设计了一组数值模拟方案，分析了制各 过程中的速度场、温度场变化规律，得出了一些规律，进而分析浇注温度、浇 注速度、冷却强度、浇注高度等工艺参数对半固态微观组织的影响 第五章工艺参数的正交试验及优化 依据正交试验设计原理及第四章得到的规律，进行了近液相线浇注法制各 半固态坯料的工艺参数的选取和优化，设计了一组正交试验，通过对正交试验 结果的分析，得出各工艺参数对半固态微观组织的影响程度、大小。进而设计 出四组优化的工艺参数组合，在对优化后的四组工艺参数组合数值模拟的基础 上，得出一组最优的工艺参数组合，并对此进行了理论分析。 第六章实验验证及分析 针对数值模拟的结果，制订了一系列的实验方案，以验证数值模拟的正确 性。描述了实验条件、过程，分析了不同浇注温度、浇注高度、浇注速度、冷 却方式时的微观组织演变，进而分析各工艺参数微观组织的影响作用。 第七章结论与展望 对本文进行了全面的总结，并对今后的研究提出了展望。 第二章正交试验设计及有限元理论基础 2 1 试验设计概述 正交试验设计法是以概率论数理统计、专业技术知识和实践经验为基础， 利用标准化的正交表来安排试验方案，并对试验结果进行计算分析，以减少试 验次数，缩短试验周期迅速找到优化方案的一种科学计算方法 4 7 - 4 9 】。 采用正交法安排试验方案可以解决以下问题： ( 1 ) 可以节省大量人力、物力、财力和时间 ( 2 ) 能够明确影响试验指标各因素的主次顺序，即了解哪些因素重要，哪 些次要； ( 3 ) 可以迅速找到优化方案，在产品开发设计中，迅速找到优化方案可以 大大缩短产品开发设计周期，在生产过程中迅速找到优化方案，可以尽快使生 产工艺按最佳工艺条件运行。 2 2 正交试验设计的基本原理 2 ，2 1 正交试验设计的几个常用名词 ( 1 ) 指标 指标是在试验中需要考察的效果的特性值：指标与试验目的是相对应的。 例如，试验目的是为了增大紊流程度，则流动速率就是试验要考察的指标。试 验目的不同，对应的指标也各不相同1 5 d 4 2 。 f 2 ) 因素 因素，也称因子，是试验中考察对试验指标可能有影响的原因或要素，它 是试验中重点考察的内容。 ( 3 、水平 试验中选定的因素所处的状态和条件称为水平。例如加热温度为7 0 0 、 8 0 0 、9 0 0 这3 个状态，可分别用“1 ”，“2 ”，“3 ”来表示。同理，一个因素 也可以分为4 水平、5 水平或更多水平，以此类推。 2 2 2 正交试验法的基本工具 正交试验法的基本工具是正交表。正交表是一种依据数理统计原理而制定 的具有某种数学性质的标准化表格。 22 3 正交试验法原理解释 在多因素试验中，需要确定因素及其变化范围，评价一个试验方法的优劣， 其标准也是看它能否用较少的试验、较快的速度查明选优区内试验指标的变化 规律，并找到较优的试验条件m “】。 在全面试验中，每个因素在变化的范围内选立方体表示( 如图2 - 1 ) ，三个因 素各取三个水平，把立方体划分成2 7 个网格点，反映在图2 1 中就是2 7 个交点， 如果2 7 个网格点上都做试验，就是因素的全面试验。全面试验自然能反映选优 区内的全面情况，但试验的次数太多。全面试验的次数由因素数量和因素所取 水平数决定 n = t 。( 2 - 1 ) 式中t 为因素所取的水平数，u 为因素数。 正交试验法对于全体因素来说是一种部分试验，但对其中任何两个因素却 是带有对等重复的全面试验。如图2 - 1 中的九个“”，就是按正交试验法挑选 出来的九个试验。它保证a 因素的每个水平与b 因素的每个水平在试验中各搭配 一次，也就是说a 因素与b 因素在九个试验中是一个全面试验；同样地，a 与c ， b 与c 在这九个试验中也是全面试验。但是对a ，b ，c 三个因素来说，却是在 2 7 个全面试验中只做了9 个，仅仅是全面试验的1 3 。由于正交试验法要求任何 两个因素都是全面试验，因此试验点在选优区的分布必定是均衡的。从图2 1 的9 个试验点可以看到，在立方体的每个面上，都恰好有三个试验点：而且立方 体的每条线上也恰有一个试验点，9 个试验点均衡地分布于整个立方体内。每个 试验都有很强的代表性，能够比较全面地反映选优区内的大致情况。试验中的 最好点，虽然不一定是全面试验中的最好点，但往往也是相当好的点。特别地， 如果其中只有一两个因素起主要作用，而试验之前又不能确切地知道是哪一两 个因素起主要作用，用正交试验法就能保证主要因素的各种可能搭配都不会漏 掉。试验点在试验区的均衡分布，在数学上叫做正交。 b 3 b 2 b i a i 图2 1 正交原理示意图 2 3 极差分析法的基本原理 设在选定的正交表中某因素在某一相同水平i 下的所有测得的实验指标结 果分别为 足k m k ，3 k 。 ( f = l ，2 ，3 ，) ( 2 - 2 ) 其中，n 为在该水平下的实验次数。f 为该因素所有的水平数。 ( 2 - 2 ) 计算出该因素f 在该水平下的平均值 k s = k 【，= l ，2 ，3 州) 则可根据式 ( 2 3 ) 因素i 的单值平均数值 k ，= k ，n o = 1 , 2 ，3 ，月) ( 2 - 4 ) 再计算因素i 的极差值，极差值就是在该因素所有不同水平下所对应的平 均值中，最大平均值与最小平均值的差值。即 置，= t ，一一i ，。 ( f = 1 , 2 , 3 ，n ) ( 2 5 ) 同理，分别计算各个因素极差值，根据式( 2 - 5 ) 可以计算出各因素极差值 的大小，可以看出各因素影响的主次：若某因素的极差值越大，该因素对实验 指标的影响就越显着，反之影响就越小。同时，根据同一因素不同水平的t 。值 得大小，可以判断出该因素的最优值，从而得出所有因素的最优组合 5 5 】。 2 4 热流耦合场基本定律 广义不可压缩酌牛顿流体遵循广义牛顿定律、质量守恒定律、动量守恒定 律与能量守恒定律。 2 4 1 广义牛顿定律 广义牛顿定律描述了粘性流体在一般情况下应力张量与应变张量之间的关 系r 5 6 。删，其本构关系为 f 】= 2 口k 】一( p a 可) i ( 2 6 ) 式中，【f p b 应力张量一r 为流体的动力粘度系数，p 为流体的静压强，【l 】 为单位张量，甲表示体积膨胀率，即 v 拈d v p = 面o u + 害+ 警 ( 2 - 7 ) 科为应变张量，即 f 气 h = h l ( 2 - 8 ) 【勺屯j 式中， 鼬 f 2 _ 5 y 2 面 o w f 。_ s w 2 2 s 碍= s f = 占纠= s f = 2 4 2 质量守恒和动量守恒方程 2 4 2 1 质量守恒方程 充型过程中液态金属的流动为粘性不可压缩流体带有自由表面的三维非稳 态流动，其流动过程遵循质量守恒和动量守恒方程。 望+ 业尘+ 业尘+ 坠尘：0 ( 2 - 9 ) e ta x a v 0 z 式( 2 - 9 ) 就是质量守恒方程，式中，p 是流体密度，t 是时间，它是连续 性流体质量守恒定律的数学表达式。其含义是流体在运动过程中其质量即不会 产生，也不会消失。式中第一项代表单位时间内单位体积的质量增量，第二、 三、四项代表单位时间内单位体积内质量净流出量。 对于不可压缩流体，有 旦生：0( 2 1 0 ) af 那么连续性方程变为 塑+ 盟+ 盟；0( 2 1 1 ) 8x o y az 2 4 2 2 动量守恒方程( n a v i e r - s t o k e s 方程) ： 动量守恒方程也称运动方程，它是动量守恒定律对于流体的数学表达式。 动量守恒的含义是流体动量的时间变化率等于作用于其上的外力总和，数学表 达式为 p 罢：p f + v p 】 ( 2 1 2 ) 在z ，y ，z 方向上动量守恒方程式分别为 、l、j 西一缸加一玉却一耖 苏一妙砌一旁c毫一七 ，l，l，l 一2一2一2 正一去罢+ 伶+ 雾+ 鲁) + v _ o 。( a 融u 寺静i d u 乃一吉爹+ v ( 窘+ 窘+ 窘 + v 昙曙+ 雾+ 刳= 妄 c z m ， 正一吉笔+ 1 ，( 窘+ 守+ 窘 + v 岳( 豢+ 考+ 警 = 警 对于不可压缩流体，体积膨胀为0 ，即 罟+ 磬+ 鲁= 。 同时，定义拉普拉斯算子 v 2 = 导+ 等+ 多 则得到不可压缩流体的运动微分方程式 ( 2 1 4 ) 六一古芸+ 啊2 “= 鲁= 害+ “害+ v 考+ w 塞 一古号朋2 v = 塞= 知扣雾+ w 老( 2 - 1 5 ) 五一专罢+ 刃2 w = 警= 詈+ n 詈+ v 爹+ w 警 式中， ，是单位体积流体的质量力， p 为流体的压力， v 为流体的运动粘度， p 为流体密度， h , v , w 为砖”：) 点的流速在三个坐标轴方向上的速度分量。 上式就是不可压缩流体的运动微分方程式，通常称为纳维一斯托克斯方 程式( n a r v i e r s t o k e s ) ，简称n s 方程式。 2 4 3 导热偏微分方程 铸件和铸型一般属于各向同性材料。在不考虑流体流动传热的情况下，传 热过程满足非稳态导热偏微分方程。在三维直角坐标系中，方程的形式如下 詈= 砉( 窘+ 窑一翻埘( 2 - 1 6 ) o y t 西p c ，l 舐2 2 玉2j 其中，五为材料的导热系数 p 为密度； c ，为比热； 为外热源； 丁为空间点似y ，：) 的温度。 2 5 雷诺数与流体类型 在流体力学中，通常将流体分为层流与湍流两种类型根据无量纲雷诺数 r e ( r e y n o l d s ) 的大小来判断流体的类型。雷诺数代表粘性力与惯性力之比，当 计算的雷诺数较小小于临界雷诺数r e 时，支配流体流动的主要因素是粘性力， 粘性力的方向与流体运动方向可能相反或相同，因此流体在粘性力作用下，流 体质点只能沿着流体运动方向加速或减速，而不会偏离原来的流动方