兰理工金属材料及热处理学术报告：镁合金触变注射成形工艺优化及其数值模拟

镁合金触变注射成形工艺优化及其数值模拟

前言半固态合金触变注射成形技术(Thixomolding®)作为一种新开发的半固态成形方法在近些年备受瞩目，其注射成形过程主要工艺参数有料筒温度、回料转速、注射速度和模具温度等。采用数值分析的方法模拟并预测半固态金属成形过程，对改善产品和模具设计，以及优化成形工艺等提供了很大的帮助。本文在不同的工艺条件下进行镁合金触变注射成形实验，对其工艺进行优化，并应用优化后的工艺参数进行数值模拟分析。

实验本实验以AZ91D镁合金颗粒为原材料，H13钢为模具材料，在不同的料筒温度、回料转速和注射速度下分别进行触变注射成形实验，触变注射成形机为JLM-220MG型，如图1所示。应用MTS810万能试验机进行拉伸试验，拉伸速度为0.1mm/min，在定量分析软件上进行成形试样微观组织定量金相分析。对本实验试样应用Pro/engineer软件进行实体造型，如图2所示，采用FLOW-3D软件包对半固态AZ91D浆料充型过程进行模拟，模拟过程基本流程如图3，采用多个模块划分网格，试样网格单元总数为1218120。

工艺优化

表1不同工艺条件下试样固相颗粒尺寸及拉伸强度变化注射速度(m/s)回料转速

(r/min)料筒温度(℃)259.5334.202.47294.2233.852.28286.5433.071.90258.8332.351.52237.5231.780.95239.2428.71168258.0533.83143284.0934.29105248.4423.86610239.2428.71600231.8736.30590218.4557.38580拉伸强度(MPa)固相颗粒等效尺寸(μm)工艺优化考虑到过高浆料温度对模具的热冲击以及过大回料转速对试样孔隙率增加的影响，选定优化的料筒温度和回料转速分别为600℃和143r/min。对于注射速度而言，其变化对固相颗粒的尺寸的影响较小，由此引起的性能变化也不会很大，此时气孔率将对合金的性能起着决定性作用。根据表1的线性回归分析结果表明，当注射速度为2.15m/s左右时，其合金的力学性能达到最佳状态。

数值模拟应用优化的工艺参数进行充型过程数值模拟，充型结束时温度场如图4所示，浆料充型结束时温度变化为588-600℃，且主要集中于冷料阱部位，壳体部位温度变化较小且分布均匀。浆料充型过程其它一些流动特性模拟结果如表2所示。浆料在整个充型过程中都以层流方式充型，充型过程平稳、顺利、完全，没有紊流回流现象发生，降低了试样中缺陷的形成几率，提高了其机械性能。流动特性模拟结果

充型时间

8.12ms壳体充型时间1.66ms内浇口最大剪切速率

2.1e51/s内浇口处最低粘度

2.16poise内浇口处最大流速

254.75m/s内浇口处最大雷诺数3098表2充型过程数值模拟结果

受内浇口剪切速率的影响，浆料的粘度在内浇口处不断减小，当剪切速率达到最大值时，表观粘度也随即降至最低，体现了半固态浆料的触变特性雷诺数达到最大值结论

对比分析不同工艺参数条件下制备的试样的拉伸性能，在本论文实验条件下，优化的料筒温度、回料转速和注射速度分别为600℃、143r/min和2.15m/s。通过数值模拟，充型结束时试样温度在588-600℃之间变化，冷料阱部位温差较大，缺陷较为集中，壳体部位温差较小，缺陷较少。浆料层流流动，能够平稳、顺利、完全充型，没有紊流回流现象发生。应用优化的注射速度进行的充型过程较为合理的反应了半固态浆料充型过程的流