镁合金铸造成形过程宏观／微观模拟.pdf

第 2 9卷第 1 1 期 2 0 1 0年 1 1月 中国材 料进展 MATERI ALS CHI NA Vo 1 2 9 No 1 1 NO V 2 0 1 0 豳 镁 合金铸 造成 形过 程宏观 微观模 拟 熊 守美 ，荆 涛 ，韩 志强 ( 清华 大学机械 工程系 ，北京 1 0 0 0 8 4 ) 摘 要 ：通过研究镁合金压铸过程中界面热，采用热传导反算法确定压铸过程的界面换热系数，研究镁合金压铸过程中工艺 参数及 凝固过程对铸件界面换 热系数的影响规律 ，建立 镁合金压铸过程界 面换热 边界 条件的处理 模型 ，以实现镁合 金压铸 过 程 中凝 固过程的准确预测 。通 过实 验研究镁 合金 压铸过 程 中凝 固组 织 ，建立 了镁 合金压 铸过 程 中形 核模 型 。采 用 C A方法 ， 建立 了镁 合金 枝晶生长模型 ，以实现 镁合金凝 固组织 的预测。采用相场方法 研究 了镁合金枝 晶生 长形 貌。 关键 词 ：镁合金；铸造成形；宏观 微观模拟 中图分 类号 ：T G 2 4 4；0 2 4 2 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 6 7 4 3 9 6 2 ( 2 0 1 0 J 1 1 0 0 5 5O 8 M a c r o M i c r o M o d e l i ng o f Ca s t i ng Pr o c e s s o f M a g n e s i u m Al l o y s XI ONG S h o u me i ，J I N T a o ，HAN Z h i q i a n g ( D e p a r t m e n t o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，T s i n g h u a U n i v e r s i t y ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 4 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：T h e i n t e r r a c i a l h e a t t r a n s f e r b e h a v i o r i n h i g h p r e s s u r e d i e c a s t i n g ( H P D C )p r o c e s s o f ma g n e s i u m a l l o y w a s fi r s t l y s t u d i e d T h e i n t e ff a c i a l h e a t t r a n s f e r c o e mc i e n t ( I HT C) w a s d e t e r mi n e d b y t h e i n v e r s e h e a t t r a n s f e r e s t i ma t i o n me t ho d a nd t he i n flue n c e o f t h e p r o c e s s i n g p a r a me t e r s a nd t he s o l i d i fica t i o n pr o c e s s o n t he I HTC o f HPDC p r o c e s s wa s i n v e s t i g a t e dA t he r ma l b o un d a r y c o n di t i o n mo de l f o r t he HPDC p r o c e s s o f ma g ne s i um a l l o y wa s fin a l l y d e v e l o pe d S O t ha t t h e s o l i d i fi c a t i o n p r o c e s s o f h i g h p r e s s u r e d i e c a s t ma g n e s i u m a l l o y s c o u l d b e a c c u r a t e l y p r e d i c t e d B e s i d e s a n u c l e a t i o n mo d e 1 o f ma g n e s i u m a l l o y for t h e HP DC p r o c e s s w a s e s t a b l i s h e d b y e x p e r i me n t a l l y s t u d y i n g t h e s o l i d i fi c a t i o n mi c r o s t r u c t u r e o f ma g n e s i u m a l l o y H P D C p r o c e s s a n d t h e c e l l u l a r a u t o ma t o n ( C A)w a s u s e d t o m o d e l t h e c r y s t a l g r o w t h o f ma g n e s i u m a l l o y s t o p r e d i c t t h e s o l i d i fi c a t i o n s t r u c t u r e T h e t h r e e d i me n s i o n a l mo r p h o l o g y o f t h e d e n d r i t e g r o w t h o f ma g n e s i u m a l l o y s w a s a l S O s t u d i e d b y u s i n g p h a s e fi e l d me t h o d Ke y w0 r d S：m a g n e s i u m a l l o y s ； c a s t i n g p r o c e s s ； ma c r o m i c r o m o d e l i n g 1 前 言 镁合金铸 造 成形 方 法 主要 是 高 压 铸 造成 形 ，约 9 0 的镁合金成形零件 由高压铸造方法成形。高压铸造 过程中铸件 铸型的界面传热对铸件凝 固过程及模具热 平衡过程具有重要影响 ，同时也是实现镁合金压铸凝 固 过程模拟的关键边界条件，是镁合金凝固组织模拟 的重 要基础。因此，为实现镁合金压铸组织性能预测，课题 研究工作首先通过研究镁合金压铸过程中界面热 ，建立 镁合金压铸过程界面换热边界条件 的处理模型 ，以实现 镁合金压铸过程中凝 固过程的准确预测 。通过实验研究 镁合金压铸过程中凝固组织，建立镁合金压铸过程中形 收稿 日期 ： 基金项 目： 通信作者 ： 2 01 00 93 0 国家 9 7 3计划项 目( 2 0 0 6 C B 6 0 5 2 0 8) ；国家 8 6 3计划项 目( 2 0 0 9 A A 0 3 Z 1 1 4 ) 熊守美 ，男 ，1 9 6 6年生 ，教授 ，博士 生导师 核模 型。采 用 改 进 元 胞 自动 机 ( C e l l u l a r A u t o ma t i o n ， C A) 方法 ，建立镁合金枝晶生长模 型，以实现镁合金凝 固组织 的预测 。采用 相 场方 法 研究 镁合 金 枝 晶生 长 形貌。 2 国内外 研究现 状及发展趋 势 2 1 镁合金压铸过程界面传热 压铸过程与普通铸造过程有着很多不 同，主要表现 在 ：压铸过程是大规模连续生产过程 ，在压铸过程 中液 态金属首先进入压室 ，经过低速压射阶段后 ，液体金属 以高速通过浇口进入型腔 ，并在高压下凝 固，再经过开 模 、取件 、喷涂及合模后 ，开始下一循环，因此 ，影响 压铸过程界 面换热 系数 的关键 因素 主要 为压铸工艺参 数、铸件几何形状和铸件以及铸型材料等参数。 在铸造过程界面换热的研究中，针对压铸过程的研究 非常有限 。 ，很少有镁合金压铸过程界面换热系数研究 的报道。同时，对于压铸凝同过程 中，铸件凝 固速度快， 5 6 中国材料进展 第 2 9卷 用于求解边界条件的反算模型或方法与普通铸造过程有着 很大的区别，为了保证反算结果的准确性 ，采用合理的数 学模型以及选择有效的计算参数是非常重要的。 采用热传导反算法求解界面换热系数的准确性 ，在 很大程度上取决于实验中温度测量的准确性 ，而精确地 测量则受到测量仪器本身的制约 ，同时，精确地求解界 面换热系数还受制于测量得到 的温度数值是否满足特定 条件下反算的要求。研究发现，求解压铸过程界面换热 系数要综合考虑各方面的要求 ，在测量仪器准确性得以 保证的前提下 ，温度采集频率一定要很高 ，否则会丢失 压射之后温度迅速变化 的相关信息，使得计算结果不够 准确 。同时，一定要有距离模腔表而很近的测温点的 温度值，这样才能保证计算结果的稳定性和 停确性。 N e l s o n ，Ho n g 以及 P a p a l 等进行 了早期的关于 压铸过程界面换热行为的研究，在实际的压铸机上进行 了相关的文验 ，他们均采用在模具 内部安插热电偶的方 式进行测温，同时，根据插值或反算求解 了换热系数或 界面热流的值。近期 ，D o u r 以及 Ha m a s a i i d和 D o u r 等进行了较为系统的压铸实验 ，采用热传导反算法分别 求解了 A 1 1 2 S i 合金以及 A 3 8 0合金薄壁铸件和铸 型 之间的换热系数。研究发现：压铸过程界面换热系数在 数值上要远高于普通铸造情况下对应 的值，而且工艺参 数对界面换热系数的影响只集 中于换热系数 的峰值 ，同 时高的高速速度和低的初始铸型温度会导致高的换热系 数峰值。H a ma s a i i d和 D o u r“ 也进行 了压铸实验，研究 了合金 A Z 9 1 D下的界面换热系数 ，他们分析 了南于测温 位置以及 汁算过程而引起的误差 ，同时其研究发现金属 液冲击铸型表面所引起的压力以及高速速度等对界面换 热系数的影响较大。 到 目前为止 ，针对压铸过程界面换热系数 的研究工 作是相对较少的，而且关于界面换热系数的认识仪停 留 在铸件的一个位置上 ，而实际的压铸件则一般都具有较 为复杂的形状 义献中的相关T作也没有系统地研究合 金成分对于换热 系数的影响 ，同时，针对换热 系数的研 究也只停留在对实验 以及计算结果的直观的理解上，并 没有深入分析换热系数和铸件凝 同过程之间的深层次关 系。因此 ，设计压铸实验，针对换热系数进行较为系统 的研究 ，深刻地理解换热系数的变化规律就成 为了现阶 段研究工作的一个重要课题。 2 2 镁合金 G A方法组织模拟 由于镁合金具有密排六方的品体结构特征，其枝 晶 形貌与具有面心立方 ( f c c ) 和体心立方( b c c ) 晶体结构金 属的枝品形貌有较火不 同。在 自由生长条件下，镁合金 等轴品在与 c 轴乖直的二维平面上的生长形貌 ，显示 了 类似雪花状的六蓖对称性特征 ，这一特征已经被实验所 证实 。 在正方形网格上采用 C A方法模拟枝品生长时 ，会 在 0 。 ，4 5 。 和 9 0 。 方向上引入枝晶生长的“ 伪动力学” ( A r - t i fi c i a l K i n e t i c s ) ；在很多 C A模型中，借助这种“ 伪动力 学” ，模拟了具有四重对称特征的枝晶形貌，如具有体心 立方和面心立方晶体结构金属 的枝品形貌。然而，在正 方形网格下用 C A方法模拟镁合金的枝晶形貌时 ，由于 正交网格引入的这种“ 伪动力学 ” ，使具有六重对称形貌 的镁合金枝晶在 4 5 。 和 9 0 。 方 向上的生长受到干扰 ，且在 6 0 。 和 1 2 0 。 方向上的生长受到阻碍。所 以，由于在 4 5 。 和 9 0 。 方向上引入了“ 伪动力学” ，使得在正方形网格下