铝合金半固态压铸充型流动的数值模拟

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。ＺＨＯＵ Ｂ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 ／ ｃｍ ３， 入 口 处 的 速度为２００ｃｍ／ ｓ， 粘 度 方 面 非 半 固 态 的 实 际 粘 度 取 为 ０．０２ｃｍ ２／ 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６ ０° 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２０ ００ｋＮ 的四柱液压机进行压铸， 浇注温度 为７ ３０ ℃， 模具预热后保持实际模温为１ １０ ℃。


实际试验得 到 的 充 型 铸 件 见 图８ ａ。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８ ｂ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。


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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。

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