铝合金半固态压铸充型流动的数值模拟

Update Time：2017-07-25 23:06:50　Author：　Source：　Click：

相较于传统的铸造工艺，半固态成形可实现近净成形，具有便于实现自动化、减少机加工、降低生产成本等优点。而随着计算机技术、金属凝固理论计算流体力学等学科的快速发展，利用计算机对铸件的充型过程进行数值模拟已经取得重要进展。对铸件的成形过程进行模拟仿真，即动态地观察铸件成形过程、预测缺陷，可以优化工艺参数，缩短铸件研制周期、降低成本，提高铸件的工艺出品率。

半固态金属浆料在压力下的成形工艺过程较为复杂，因此半固态金属浆料充型过程的数值模拟技术发展较晚。ＧＥＢＥＬＩＮＪＣ等考虑液相耦合及体积力的作用，提出了模拟分析半固态合金变形的有限元模型。随后，ＰＡＲＡＤＩＥＳＣＪ等通过Ｎ－Ｓ方程及非牛顿表观粘度模型分析了半固态合金的流动。ＫＡＰＲＡＮＯＳＰ等采用３种模型对Ａ３５７合金的形变压力进行了数值模拟。崔成林利用能量守恒及动量守恒处理自由表面，对ＡｌＳｉ７Ｍｇ合金的流动充型进行了模拟研究。周建新等详细介绍了铸造ＣＡＤ／ＣＡＥ技术在压铸中的应用。张帆等对Ａ３５６铝合金轮毂半固态挤压铸造成形工艺进行了研究，分析了不同挤压速度、充填温度等条件下金属流动特点及温度分布规律。肖世龙等对铝合金压块进行了半固态充型及缺陷数值模拟，通过３组参数试验，确定了制备工艺参数。ＺＨＯＵＢ等研究搅拌速度对７０７５铝合金半固态组织的影响规律，分析了对流强度对过冷度梯度及初生晶粒分布的影响。

本课题根据铝合金半固态流变成形的相关规律，将半固态表观粘度模型耦合进流动方程中，针对性地对半固态充型过程进行了数值模拟，研究了半固态合金的实际充型流动过程。

１数学模型的建立

１．１半固态表观粘度模型

半固态浆料的充型过程较为复杂，实际过程中相关参数的变化较难以预测，这给相应的模拟工作带来了难度。因此，为了便于计算分析，在建立铝合金半固态压铸充型流动过程模型前，做以下假设： ① 半固态浆料具有良好的流动特性，可以像流体一样充满铸型，在模拟时将半固态合金视为连续不可压缩的金属流体，其流动特性由表观粘度来表征； ②半固态合金中存在一定数量的固相颗粒，但颗粒直径较小且均匀分布在液相中，固、液两相密度相近，在模拟过程中将半固态坯料视为均匀介质； ③充型温度近似恒温，流变过程中，充型时间极短，因此流体的传热时间短，坯料的温度变化很小，可将半固态流变成形充型过程视为等温流动。

半固态合金充型流动过程不同于普通合金。在恒定的温度下，对半固态浆料保持恒定的剪切速率，并且持续一段时间，使得剪切力不再有明显的变化，此时合金浆料达到“ 平衡态”。半固态表观粘度模型选用等温稳态剪切模型，即在相同的固相率下，表观粘度随剪切速率的上升而下降，其关系满足Ｐｏｗｅｒ定律：

将式（４）代入Ｎ－Ｓ方程的粘度项中，利用此模型对普通合金的粘度项进行改进修正，就可以得到适用于半固态合金的各流动方程。

１．２半固态表观粘度离散

模拟过程采用ＳＯＬＡ－ＶＯＦ方法。一般说来，铸造充型过程中液态金属具有自由表面、粘性、不可压缩等特点，它的运动状态可用动量守恒方程和质量守恒方程来描述。因此，通过流体运动的三大方程进行离散求解，并通过体积函数方程进行自由表面处理，离散后的剪切速率可用式（５）表示。

由于有限差分法计算快、内存占用小，方程的离散过程采用有限差分法。剖分网格时采用交错网格进行离散，即仅将速度量放在单元网格的边界上，而将压力等其他变量放置在网格单元的中心，这样便于检测出变化的压力场，也可避免压力场的空间分裂。

２模拟结果及讨论

为了比较半固态充型与普通充型的不同，需要设计有截面变化，且形状较为简单的模型进行探究。设计的条形铸件见图１，用于模拟研究铝合金半固态浆料在型腔中的流态分布。其形状并不是等截面积的圆棒形，而是两头宽、中间窄的哑铃形状。当半固态铝合金浆料从条形铸件的一端流进来，充型前端随着不同的充型量会有不同的液面效果。当充型量不足以让浆料流进窄截面时，浆料只能占据流进端很小一部分；随着充型量增加，浆料慢慢充型进入窄截面；充型量继续增大，充型过程还会增加一个从小截面到大截面的过程。

首先考虑普通铝合金压铸及半固态铝合金压铸的区别。模拟时，浆料的密度设为２．６ｇ／ｃｍ３，入口处的速度为２００ｃｍ／ｓ，粘度方面非半固态的实际粘度取为０．０２ｃｍ２／ｓ，而半固态浆料稠密度取为５０，Ｐｏｗｅｒ定律常数取为０．６。

在入口速度一定的情况下，观察两种情况下浆料流入入口处及窄截面处时的不同充型情况。这里比较在充型达到３０％及６０％时，两者的压力及速度模拟结果，见图２和图３。

从图２可以看出，普通铝合金压铸件在铸件前端或中部一些部位压力不连续，由于半固态浆料充型内部压力相对较小，可以看出浆料是一层一层向里充型，而普通浆料充型时靠近型壁的液流被附着，而相对中间的液流由于缺少吸附导致液面前端出现未充满的现象，说明其充型过程不如半固态浆料充型过程平稳。从图３可以看到，半固态充型时充型速度明显小于普通压铸件，与压力对比情况类似，半固态浆料充型时更加贴近壁面，且液面前端更加平滑。图４为半固态与普通压铸充型剖视图。可以清楚地看到，沿着铸件中心线剖开后，半固态浆料贴着型壁充满了整个截面，而普通压铸件则由于速度太快，截面上方仍有未充满的区域。从模拟可以看出液面前端半固态压铸件的速度是普通压铸件的３倍左右。

半固态浆料在压铸充型过程中相较于普通压铸较缓慢、更平稳，在变截面处依然贴着型壁进行流动，而非半固态浆料对型壁的冲击性更强，在变截面处有明显未充满的情况。相比之下半固态充型流动平稳性强，不易形成卷气夹杂等现象，铸件质量会更高。

为了考察不同充型量情况下半固态浆料的充型情况，研究了充型量分别为４０％、６５％、９０％时的充型情况，其模拟结果见图５。由图５可见，半固态浆料在充型过程中总是贴着型壁缓慢流动。不管是入口处还是变截面处，浆料与型壁都紧密贴合在一起，浆料充型过程呈现全壁厚理论特征。

３试验验证

试验选择５０５２铝合金为原材料，其化学成分见表１。５０５２铝合金固、液相线温度分别为５９４ ℃ 和６４３ ℃，其具有较宽的半固态温度区间，易于操作及控制，适合于半固态浆料的制备及成形。图６为５０５２铝合金固相率随温度变化的曲线。由图６可知，５０５２铝合金相较于其他铝合金而言，浆料的固相率受温度的影响更为敏感，因此试验更容易在某一温度范围内获得较大范围的固相率。

将５０５２铝合金加入电阻坩埚炉中加热至７５０～８００ ℃使其熔化，将惰性气体通入铝液中除气，保温待用。将模具预热并稳定，待半固态浆料温度冷却至稳定在固液相区间，将铝液输送至压铸机压铸成形。

图７为模具中６个形状相同的试样条，空腔呈中心对称分布，两两成６０° 夹角。模具中同一直线上的试样条空腔厚度相同，３条直线上的试样厚度分别为３、５和７ｍｍ。通过控制给料的多少来决定铝合金在模具中的充型情况，进而观察半固态合金在充型流动时的相关特点。使用２０００ｋＮ的四柱液压机进行压铸，浇注温度为７３０ ℃，模具预热后保持实际模温为１１０ ℃。

实际试验得到的充型铸件见图８ａ。可以看出，半固态浆料是沿着型壁完全充满的，且液流前端是圆滑的，表明浆料充型过程较普通压铸时更为缓慢，没有出现尖锐、飞溅等情况。图８ｂ是相似条件下的模拟结果，在相同的充型量下，液流前端与试验结果符合较好，６个方向的条形铸件均与试验结果相符合。

４结论

以铝合金半固态为例，采用ＳＯＬＡ－ＶＯＦ法与等温稳态剪切模型相耦合的形式对铝合金半固态压铸充型流动进行了研究，同时通过条形铸件半固态试验进行了实际的充型验证。结果表明，半固态浆料在充型过程中大体会顺着型腔壁流动，逐层推进，少有飞溅等现象。