（材料加工工程专业论文）工艺参数对半固态铝合金浆料组织的影响.pdf

摘要 利用自主开发的低转速、具有合理热交换条件的输送管制备半固态铝合金浆 料( l s p s f 工艺) ，在保证低过热熔体流经输送管时不结皮的条件下，以熔体 流经输送管末端的温度和浆料微观形貌为目标参数，采用正交试验方法设计试 验，研究浇注条件( 主要考虑浇注温度) 和输送管控制参数( 包括：倾斜角度、 旋转速度、预热温度) 对半固态浆料组织的影响。 结果表明：浇注条件和转管换热条件对半固态浆料的晶粒形貌和晶粒尺寸有 非常明显的影响。适当低温浇注的试样组织为细小的球状结构，而高温浇注的试 样，浆料在输送管中形成的大量晶核被熔化，在离开输送管口时未能存活下来， 组织形貌表现为粗大的枝晶。当浇注温度为合金液相线以上5 0 c 左右，在2 0 。c 左右的区间内均可获得理想的半固态组织，有利于现场操作和工艺推广。输送管 转速对半固态组织的影响也很大，转速过快或过慢都不利于组织的近球形生长。 浇注温度和输送管转速通过交互作用影响合金熔体流经输送管时的温度分 布，进而影响有效形核数目，最终影响初生相的形态和尺寸。只有浇注温度与输 送管速度达到良好地匹配时，才能显著地提高有效形核数目，进而获得优质的半 固态浆料。此外，输送管的倾角、尺寸和金属液的流量等参数对控制浆料的质量 也十分重要。 采用p o w e r - l a w 黏度模型描述半固态浆料的流变特性，应用专业铸造模拟软 件平台p r o c a s t t m 和有限差分( a n y c a s t i n g x m ) 数值模拟技术，研究了不同浇 注条件和输送管换热条件下，a 3 5 6 合金浆料在制备过程中的流动特性和温度场 分布状况。 通过试验验证模拟结果的正确性，并利用试验和模拟结果对l s p s f 工艺过 程的形核方式和晶粒生长理论进行探讨。讨论了冷却速度和强迫对流对晶核的形 成与长大的影响，对不同工艺参数条件下的形核方式和晶粒生长方式进行分析。 关键词：工艺参数；流变成形；浆料制各；微观组织：数值模拟；表观黏度；组 织形成与演变； e f f e c to f p r o c e s sp a r a m e t e r so nt h es e m i s o l i ds l u r r y m i c r o s t r u c t u r eo f a l u m i n u ma l l o y s a b s t r a c t t h es e m i s o l i da l u m i n u ma l l o ys l u r r yh a sb e e np r e p a i db yt h el o ws u p e r h e a t p o u r i n gp r o c e s s 诚t l ls h e a r i n gf i e l dt e c h n o l o g y ( l s p s fp r o c e s s ) ，w h i c hi n c l u d et h e p r o p e rr o t a t i n gs p e e da n dh e a te x c h a n g ec o n d i t i o nb a r r e l i no r d e rt oi n v e s t i g a t eh o w t h ep o u r i n gc o n d i t i o n ( p o u r i n gt e m p e r a t u r e ) a n db a r r e l h e a te x c h a n g ec o n d i t i o n ( i n c l i n e dd e g r e e ，r o t a t es p e e d ，p r e h e a tt e m p e r a t u r e ) a f f e c tt h em i c r o s t r u c t u r eo f s e m i s o l i ds l u r r y ，t h e o r t h o g o n a le x p e r i m e n t h a v eb e e nu s e dt oe x a m i n et h e t e m p e r a t u r ea tt h eo u t l e to f b a r r e la n dt h em i c r o s t r u c t u r eo f s e m i s o l i ds l u r r y t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h ep o u r i n gc o n d i t i o na n dh e a te x c h a n g eo f b a r r e la f f e c tt h eg r a i ns t r u c t u r ea n dd i m e n s i o ne v i d e n t l y p r o p e rl o wp o u r i n g t e m p e r a t u r ec a d _ f a b r i c a t en e a r - r o u n dg r a i n s ，o r ，t h eh i g hp o u r i n gt e m p e r a t u r em a k e t h ec o a l s ed e n d r i t eg r a i n sb e c a u s em a n yn u c l e ir e m e l ta n dc a l l ts u r v i v ea tt h eo u t l e t o fb a r r e l w h e nt h ep o u r i n gt e m p e r a t u r ei sa b o u t5 0 ch i g h e rt h a nt h el i q u i d u s ，t h e p e r f e c ts e m i s o l i ds l u r r yc a n b ep r e p a r e da tt h es c o p eo f 2 0 c s o ，t h el s p s f p r o c e s s c a l lb em a n i p u l a t e dc o n v e n i e n t l ya n d p o p u l a r i z e d t h ed i s t r i b u t i n go f m e l tt e m p e r a t u r ei nt h er o t a t i o n a lb a r r e li si n f l u e n c e db yt h e i n t e r a c t i o no fp o u r i n gt e m p e r a t u r ea n ds h e a rf i e l do fb a r r e l ，t h e nt h ee f f e c t i v e n u c l e a t i o nr a t ec h a n g e sc o n s e q u e n t l y ，a n dt h es t r u c t u r ea n dd i m e n s i o no fp r i m a r y p a r t i c l e sc h a n g ef m a l l y n o n eb u tm a t c h e dp o u r i n gt e m p e r a t u r ea n dr o t a t i n gs p e e do f b a r r e lc a ni n c r e a s e de f f e c t i v en u c l e a t i o nr a t ea n do b t a i nh i g hq u a l i t ys e m i s o l i ds l u r r y b e s i d e s ，t h ei n c l i n e dd e g r e ea n dd i m e n s i o no f t h eb a r r e l ，a n dt h ep o u r i n gf l u xo f m e l t a r ea l s ot h ev i t a lp a r a m e t e r si nt h i ss e m i s o l i ds l u r r ym a k i n gp r o c e s s t h ep o w e r l a wm o d e li su s e dt od e s c r i b et h er h e o l o g i c a ls p e c i a l i t yi nt h e p l a t f o r mo fp r o c a s t t ms o f t w a r ea n df i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ( a n y c a s t i n g t m ) t h e f l o wa n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fa 3 5 6a l l o yi nt h eb a r r e lb yt h el s p s fp r o c e s s w e r ei n v e s t i g a t e di nd i f f e r e n tp o u r i n gt e m p e r a t u r ea n dh e a te x c h a n g ec o n d i t i o n i i t h ea c c u r a c yo fp r o c e s ss i m u l a t i o nh a sb e e ns u b s t a n t i a t e db yt h ee x p e r i m e n t a n dt h e n ，t h ef o r m a t i o na n dm o r p h o l o g yb e h a v i o ro fp r i m a r yp a r t i c l e sw e r e d i s c u s s e du n d e rt h ee x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o nr e s u l t s t h i st h e s i si n v e s t i g a t e dh o w t h ec o o l i n gr a t ea n df o r c ec o n v e c t i o na f f e c tt h ef o r m a t i o na n dm o r p h o l o g yo ft h e p r i m a r yp a r t i c l e s k e yw o r d s ：p r o c e s s i n gp a r a m e t e r s ；r h e o l o g i c a lf o r m i n g ；s l u r r yp r e p a r a t i o m m i c r o s t r u c t u r e ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；a p p a r e n tv i s c o s i t y ；f o r m a t i o n a n de v o l u t i o no f g r a i n s ； 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 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得卣坠j 药其他教育机构的 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。 学位论文储躲诵戤签字吼劲锯多月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解荀是盛有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有苯部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权翅必分可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、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) 学位论文作者毕业后去向：赶昱办赉犬嗷每哼# 钉玉 工作单位：电话： 通讯地址： 邮编： 日 纩参加 渚 年 氓拍埔加 氨 年 凇以 作 ： 文 期 沦 日 位 字 学 签 第一章绪论 1 1 半固态金属加工技术的发展现状 半固态成形( s e m i s o l i df o r m i n go fm e t a l s ) 或半固态加工( s e m i - s o l i d p r o c e s s i n go f m e t a l s ) ，是将含有非枝晶固相的固液混合物在凝固温度范围内加 工成形的一种材料成形技术。半固态成形或半固态加工技术具有三个特征，一是 被加工的材料状态是固液混合物，而不是纯液体或纯固体；二是加工温度范围在 合金固相线温度和液相线温度之间；三是材料中的固相是非枝晶形态，而不是常 见的树枝晶吐 半固态成形技术被公认为2 1 世纪最有前途的轻合金近净成形技术，包括触 变成形和流变成形两条技术路线。触变成形工艺是在先获得半固态浆料后，将其 进一步凝固成坯料( 通常采用连铸工艺) ，根据需要将坯料切分，把切分的坯料 重新加热至固液两相区形成半固态坯料，利用这种半固态坯料进行加工成形圆。 流变成形工艺是在金属凝固过程中，通过旆加搅拌或扰动、或改变金属的热状态、 或加入晶粒细化剂等手段，改变合金熔体的凝固行为，获得一种液态金属母液中 均匀地悬浮一定球状初生固相的固液混合物( 半固态浆料) ，并利用此浆料直 接成形加工。 虽然触变成形在工业生产中已经取得了成功应用，但经过多年的生产实践和 深入研究发现触变成形存在许多工艺缺陷：浆料制备成本高，设备投资大、半 固态坯料重熔加热的能量消耗( 流失高达1 0 ) 、坯料切割和加热过程中的材 料耗损；坯料的成分( 微观偏析) 和微观结构的不均匀性( 晶粒形状和晶粒分 布) ；浆料制备过程控制难度大，主要表现在初生相形态对工艺的依赖性、固 相率对温度的依赖性【3 】。 近年来，各国科研单位和企业研发部门将半固态浆料直接成形技术( 流变成 形) 作为降低成本的主攻方向，因流变成型工艺具有流程短、材料损失少、节能 低耗，易被中小型生产厂接受，被认为更具有工业应用前景1 4 ， 5 1 。 1 2 半固态流变制浆工艺的发展现状 在流变成形中，半固态浆料的质量( 固相的形态、尺寸、多少和分布，固相 间的体积粘合度) 必须在制备阶段控制，如果半固态浆料的质量达不到要求，最 终的成型零件就会出现充型不完整、液相偏析等缺陷。半固态成形技术的优越性 完全依赖于浆料( 坯料) 所具有的特殊组织结构，即细小球状固态颗粒均匀悬浮 于液态基体中而形成的固液共存的半固态组织。所以半固态浆料直接流变成形 的关键技术之一是如何快速获得与触变成形中重熔加热后相似或更优质的半固 态组织。流变成形未能得到大规模应用的另一主要原因是半固态浆料的保存和运 输很不方便，关键是浆料质量在保存和运输期间会发生恶化。因此如何有效处理 制浆设备和浆料成形设备间的连接是解决问题的关键，目前还没有适合于大规模 工业生产的成熟技术和设备 6 - 4 9 1 。 美国麻省理工学院提出了“s s r ”流变成形工艺【1 0 】一【1 2 1 ，已经利用该工艺进 行了压铸试验，目前已许可i d r a p r e s s 公司进行相关立式或卧式设备的研究开发。 英 b r u n e l 大学开发出“双螺旋机械搅拌”流变射铸成型工艺( r d c ：t _ 艺) 【b 1 - 1 1 5 1 ， 设计灵感来源于聚合物注塑成型原理，所开发的流变制浆设备具有高剪切混合的 作用，获得的组织极为细小和圆整i l a l - - 1 8 】。目前双螺旋机械搅拌流变射铸工艺尚 未达到工业实际应用要求，正处在设备完善和工艺优化阶段。日本u b e t 业公司 发明了“n r c ”快速流变成形技术1 9 1 - f 2 “，标志着流变成形工艺的深入研究工作 正式启动，但该项工艺仍然存在一个重熔加热工序，而且整个工序过程是由紧密 相连的浇注、冷却、加热和成形等专用设备来完成，而这些设备目前还没有定型。 近些年来，半固态流变成形技术在国内发展非常迅猛，华中科技大学吴树森等学 者巾q 对双螺旋机械搅拌流变压铸工艺进行了深入研究，取得了与b r u n e l 大学 相类似的结果，压铸出a z 9 1 d 镁合金试件。2 0 0 2 年，北京科技大学康永林等学 者【2 5 】利用金属液流经旋转的斜锥形内外桶间的缝隙形成剧烈剪切应力场作用的 原理，开发了锥桶式半固态流变成形装置，用于铝合金和镁合金等进行半固态浆 料制备及直接流变成形。东北大学温景林等学者【2 q 系统地研究了s c 舡艺，目前 已经将该项工艺扩展到制备镁合金半固态浆料。但这些工艺仍然处于实验室研究 阶段，距离工业应用尚有一段距离。 2 1 2 1s e m i s o l i dr h e o c a s t i n g ( s s r “) 工艺 2 0 0 0 年，美国麻省理工学院的m e r t o nc f l e m i n g s 和r a u la m a r t i n e z - a y c r s 等【1 2 l 提出了s s r 流变成形工艺，工艺流程如图1 1 所示。首先将低过热度的 合金液( 以a 3 5 6 合金为例，过热度仅为7 ) 浇注到制备坩埚中，利用搅拌器 对坩埚中的合金液进行短时弱机械搅拌，使合金熔体冷却到液相线以下( 低于液 相线2 c ) ；然后移走搅拌器，待坩埚中的半固态合金液静态冷却到预定的温度 或固相分数后，将其倾入压铸机压室，进行流变压铸。 1 0 、u 1 2 厂1 4 1 2 1 2 u 画画画 j j 。 i _ _ “i ”“l “”i ”“i “i ：s t e p ls t e ps t e p3 ： 2 ：“、 、 l i q u i d u s - j 、 j ： 1 t i i i i il l i i _ t i l l l l i i l i l l _ i _ _ r t i m e ( s ) 图1 1s s r 工艺的工艺过程 f i g 1 1s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o ns s rp r o c e s s m i t 最近的实验研究认为，影响非枝晶半固态浆料形成的重要因素是合金 的快速冷却和热传导。在一定的搅拌速度下，能获得半固态组织，进一步提高搅 拌速度对产生球形晶粒没有太大影响，当搅拌时间为2 秒时就能产生非枝晶半固 态浆料。当合金温度低于液相线温度时，搅拌对最终的微观组织没有太大影响， 只是利用搅拌消除过热，引起合金形核固化，而容器壁和浇注热传导( 对流) 起 一oo)尘nl歪one_l 很大作用。基于这一点，m i t 改进的流变铸造工艺是在快速热释放的同时进行 搅拌。 1 2 2 双螺旋流变注射成形( r d c r m ) 工艺 英国b r u n e l 大学的z f a n 等人借鉴聚合物注射成形原理，开发出双螺旋半 固态金属流变注射机，用于从液态金属直接制备出近净成形产品。双螺旋流变注 射机由坩埚、双螺旋剪切装置和中央控制器等组成，如图1 2 所示。双螺旋剪切 装置是由圆筒和一对相互紧密啮合的同向旋转螺旋组成。螺旋的齿形经过特殊设 计，能使金属熔体得到较高的剪切速率和较高的湍流强度。在挤压筒外沿着挤压 机轴线方向分布着加热单元和冷却单元，形成一组加热一冷却带，温度控制精度 可达n 士i ，能准确地控制半固态金属浆料固相体积百分数。 图1 2 双螺旋流变注射成形和工艺示意圈 f i g 1 2s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f r d cp r o c e s s 金属在双螺旋剪切装置中的流动非常独特，研究表明金属在螺旋外以“8 ”字 形方式流动，而且金属从一个斜面到达另一个斜面，形成“8 ”字形螺旋前进，从 而推动金属沿螺旋轴向流动，金属从一个螺旋到另一个螺旋，经历了拉伸、折叠 和调整的循环过程。另外，由于螺旋和圆筒间隙的周期性变化，造成金属受到周 期性变化的剪切速率，最小剪切速率出现在螺纹根部，最大剪切速率出现在双螺 旋的啮合区间。所有金属都要经历剪切速率周期性变化的剪切变形。 采用双螺旋流变注射机，半固态金属可以得到较高的周期性变化的剪切变形 和较高的湍流强度。在强制对流条件下，金属充分过冷，即金属熔体在远低于普 4 通凝固的温度下形核。由于剧烈的搅拌作用，分散了高熔点金属熔体，增大了潜 在的形核点，导致形核率增大，同时细化初始晶粒，随着剪切速率和湍流强度的 增加，晶粒由蔷薇状晶形成球状晶，从而获得细小均匀球状晶的半固态组织。用 s n - 1 5 w t p b 和m g 3 0 w t z n 合金进行试验表明，它比单螺旋机构能获得更细小、 更不容易凝聚在一起的球形晶粒。 1 2 3 剪切冷却轧制法( s c 工艺) 图1 3 所示为东北大学开发的s c r 工艺的示意图，主要包括剪切冷却轧辊、 由耐火材料制成的靴形座与剥离器，轧辊内通水冷却，轧辊的转动引导熔融金属 沿着靴形座流动。靴形座需要预热到一定温度，防止金属在靴座上凝固。在金属 浆料出口处安装一个剥离器，将可能粘附在轧辊上的金属刮去。其工作原理是： 将加热到一定温度的熔融金属注入辊缝上方的导向槽中，轧辊与靴形座之间留有 一定的间隙，同时轧辊表面具有一定的粗糙度，轧辊内通水冷却。由于轧辊与靴 形座的冷却作用，合金液发生凝固，转动的轧辊对部分凝固的合金产生剪切搅拌 作用，使合金液转化为半固态浆料，并通过轧辊施加的摩擦力将半固态浆料从轧 辊与靴形座间隙中拖出，通过安装在出料口的剥离器引导半固态浆料流动。应用 s c r 法可直接进行流变成形，也可制成所需尺寸的半固态坯料，然后进行触变 成形。 图1 3s c r 技术制备半固态浆料示意图 f i g 1 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f s c rp r o c e s s w a t e r 1 2 4n e w r h e o c a s t i n g ( r c r c t m ) 流变成形工艺 一 n r c 工艺是日本宇部株式会社开发的一种新流变工艺，广泛用于各种轻金 属合金，尤其是镁合金。采用n r c 工艺可以从熔融金属中直接制备出含有球状 晶的半固态浆料，而且采用这种方法制备出的产品具有良好的机械性能和微观组 织。这个工艺有很多优点：生产成本低，相对于传统的触变成形，费用减少大约 2 0 ，生产效率高，工具寿命长，产品机械性能好。 n r c 方法的生产工艺过程为：( 1 ) 将熔融金属控制在液相线温度以上几度范 围内；( 2 ) 将熔融金属倒入隔热容器中，由于容器的冷却作用，在熔融金属内部 产生大量的初生相晶粒；( 3 ) 在容器上下用陶瓷覆盖，防止过冷；( 4 ) 利用风冷将 金属冷却到要得到的半固态温度；( 5 ) 通过隔热容器外部的高频感应加热器调整 浆料的温度梯度，形成球形浆料，调整金属浆料的固相体积分数，满足成形需要， 这个过程需要3 5 分钟；( 6 ) 翻转隔热容器，将半固态浆料倒入套筒，上表面的 氧化层沉到套筒底部，可防止氧化层进入产品；( 7 ) 将浆料直接倒入模腔中，并成 形。如图1 4 所示。n r c 方法制各出的半固态浆料微观组织特征：初生a 相分 布非常均匀；不存在残余共晶体，但存在残余金属间化合物；初生a 相颗粒近似 球形。 图1 4n r c 方法的工艺过程 f i g 1 4s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o ns c rp r o c e s s 1 2 5 剪切低温浇注式流变成形工艺( l s p s f 1 m ) 南昌大学半固态成型研究室在斜坡法制备半固态浆料的基础上，开发了一套 新型半固态制浆工艺，采用低转速输送管控制浇注方法制备半固态浆料( l s p s f 工艺) ，如图1 5 所示。该工艺能在半固态浆料的制备阶段对浆料质量f 固相的 形态、尺寸、数量和分布) 进行精确地控制，能连续地提供高效、优质和低成本 的半固态浆料，详述请见本文第二章制浆工艺介绍。 图1 5l s p s f 制浆工艺伺图 f i g 1 5s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o nl s p s fp r o c e s s 除以上制浆工艺外，还有机械搅拌工艺【27 1 、c o n t i n u o u sr h e o c o n v e r s i o n p r o c e s s ( c r p 工艺【2 8 】) 、电磁搅拌工艺( m h d 工艺，口川) 、冷却斜坡( c o o l i n g s l o 口e 法【3 1 】) 、应变诱导熔体激活法( s i m a 法【3 2 】，【3 3 】) 、液相线铸造法【3 4 】，【3 5 】等 制浆工艺。 1 3 数值模拟在半固态流变制浆工艺中的应用 通过建立半固态浆料的流变模型，耦合温度场实现制浆工艺的宏观模拟，对 比试验数据分析模拟结果，明确制浆工艺中输送管内熔体的温度和流动状况，对 理解半固态浆料的流动、传热、形核和生长都有重要的意义。 近年来，随着有限元技术、流体力学和计算传热学的发展，以及计算机计算 能力的进一步提高，计算机模拟技术越来越多地应用于工程领域。铸造行业也不 例外，从6 0 年代开始的凝固过程数值模拟，到8 0 年代初开始的充型过程数值模 拟和铸件应力应变数值模拟，再到9 0 年代兴起的铸件微观组织数值模拟研究， 熟知模拟技术己渗入到金属成型与凝固的各个方面，c a d c a e c a m 技术、并 行计算技术、快速原型制作技术等等高新技术不断被采用和集成。其中，金属充 型和凝固过程数值模拟是上述技术实施过程中的重要环节，在其发展的过程中， 相关的商业化软件业不断出现和完善，例如德国的m a g m a s o f l t m 、美国 f l o w s c i e n c e 公司的f l o w 3 d t m 、法国e s i 公司的p r o c a s t t m 、 i 堑j a n y c a s t i n g t m 、 我国华中科技大学开发的华铸软件等等。 目前，对于半固态n - r 技术的数值模拟主要集中在半固态浆料的充型、凝固 和铸件热应力等方面，对制浆过程的模拟有： 英国b r u n e l 大学b c a s t 研究中心的h t a n g 等【3 6 】，【3 7 】对双螺旋挤压制浆设备 ( t w i n s c r e we x t r u d e r ) 中的流场进行了模拟，研究了工艺中的流变学基本理论。 认为半固态浆料在双螺旋制浆设备中表现出黏塑性流体特性，同时也指出半固态 浆料的组织对黏度的影响十分明显。 东北大学的管仁国等m 】针对s c r 技术制备半固态材料的特点，根据热流耦 合场的有限元理论，对研究对象进行合理的假设与简化，建立有限元模型，利用 商业通用有限a n s y s 分析软件，对s c r 技术制备a 2 0 1 7 半固态合金的凝固过 程的热流耦合场进行了数值模拟，确定了温度场与速度场分布规律，分析了制备 半a 2 0 1 7 固态合金最优工艺条件。 本文利用商业软件p r o c a s t t m 和a n y c a s t i n g t m 对l s p s f 制浆工艺进行热流 耦合场模拟，并对制浆过程中浆料的微观组织演变进行跟踪。得到了制各a 3 5 6 合金半固态浆料过程的温度场和流场的结果，确定了l s p s f 制浆工艺中浆料流 经输送管时的温度场和速度场的分布规律。 在半固态制浆的制各过程中，由于工艺条件限制，难以在输送管内部取样和 测温，无法对模拟的中间过程进行取样检测。鉴于此种情况，采用对比输送管出 口温度的模拟值和试验值的方法，确定模拟的准确性。 结果表明，在转动输送管内壁对合金液的剪切作用下，熔体流经输送管期间 的紊流效应增强，有利于提高熔融态合金的有效形核数目和等轴非枝晶的形成。 合金液温度从输送管入口到出口逐渐下降，合金温度场等温线沿着输送管转动的 切向方向发生偏移，温度沿着切向递增。随着合金液浇注温度的升高或者输送管 转速的降低，半固态浆料的出口温度升高，与实验结果一致。 1 4 半固态合金浆料的黏性行为和流变学行为 要对l s p s f 工艺中半固态浆料的流动状态进行准确的模拟仿真，获得精确 的自由表面的状态，首先必须研究半固态浆料的流变特性【3 9 】【4 2 1 。 1 4 1 表观黏度和黏性行为 1 流变性与触变性的区别 当对半固态浆料施加的切应力小于其屈服极限时，浆料便表现如同固体，无 流动性，可以被夹住方便地移动；当对浆料施加较大的切应力，并超过其屈服强 度时，半固态浆料表现出较好的流动性，如牛顿体那样的流动。 触变性是指表观黏度随剪切时间的依赖关系，反映了半固态金属浆料黏度的 依时行为。 2 表观黏度的概念 物体黏度的测量一般根据牛顿公式f = 谚，采用相应的一起根据试验所用的 剪切速率参数户，测定剪切应力r 值，再用上式计算而得到所测物体的黏度r 。 如果物体为纯牛顿体，则所得到的黏度值为物体本身的黏度；如果所测物体不是 纯牛顿体，而是像半固态浆料( b i n g h a mb o d y ) 那样，则测得的黏度值便不是其 本身的黏性了而是掺杂着物体塑性影响的黏度数值。此种由测量仪器根据牛顿定 律而测得的黏度值，即为表观黏度( 叩。) ，其定义为： r 。= 0 f 影l 。 ( 1 1 ) 对于半固态金属来说，其表观黏度的表达式为： r 。= r + ； ( 1 2 ) ， 式中：r 为半固态金属的动力黏度系数，表示物体内质点之间发生相对运动时， 质点间发生切应力或内摩擦的特性，即为物体的黏性； t 为剪切屈服极限； 户为剪切速率。 在稳态条件下，半固态金属的表观黏度随剪切速率的增减而降低，表现出假 塑性流体的特征。但在瞬态条件下，半固态金属的表观黏度却随剪切速率的增加 而增加，表现出胀流型流体的特征这一结果表明，在半固态金属成型过程中， 即使在较高的成型速度下，半固态金属也能实现平稳充型。 在非常宽的剪切速率范围内，计算半固态浆料黏度的经验公式，可用 p o w e r - l a w 模型： r 。= k 尹”1 一 ( 1 3 ) 式中：户为剪切速率； 疗为幂指数系数； 足为稠密度。 当剪切速率一定时，浆料中的固相率越大，则其表观黏度也越大。 研究表明，表观黏度随固相率的增加而增加，特别是当固相率超过某一临界 值时，表观黏度开始迅速上升，表观黏度的控制将是很难的，此时表观黏度对固 相率的变化很敏感。在实际操作中，固相率有液固两相体的温度决定，一般都 是通过s c h e i l 方程将温度换算成固相率的函数。 3 半固态金属的黏性行为 对于半固态金属，可以用h o o k e 模型、k e l v i n 模型和b i n g h a m 模型串联的 本构方程来描述其流变性，即半固态金属表现出弹性：黏性和黏塑性行为，剪切 强度随温度( 固相率) 的变化趋势相同。 对于具有枝晶结构的凝固金属，其在凝固初期，固相率很低，结晶固相可以 在母液中流动。随凝固的继续进行，固相率逐渐增大，在到达某一临界固相率后， 结晶晶粒相互搭结构成枝晶网络，结晶固相就形成了一个相互连接的整体而不能 自由的流动，只有剩余液相能在枝晶网络间流动，而枝晶网格对野象在其间的流 动具有较大的阻力。 对于进行强烈搅拌的半固态金属来说，由于在搅拌的过程中，在析出固相颗 粒之间以及它们与液相之间发生碰撞、摩擦和冲刷作用，使固相颗粒在各个方向 温度均匀，没有热流的方向性，在固液界面阃也没有溶质富聚现象，从而消除 了“成分过冷1 霓象，使得晶粒在各个方向上的长大速度均匀，成为完整的颗粒悬 浮于母液中。这种结构的半固态金属具有良好的流动性。 1 4 2 半固态金属的流变理论 半固态金属的流变性是指在外力作用下半固态金属的流动、变形性能，是半 固态金属物理特性研究中的一项重要内容。它直接影响半固态金属成形与流动的 工艺条件。半固态合金的流变性能主要表现为其表观黏度的变化规律，通常用半 固态金属的表观黏度( 玑) 作为其流变性的指标，通过研究不仅揭示半固态金属 易于成型的本质，而且可以确定半固态金属制备工艺中浆料流动、成形浆料流动 规律的动量方程中的有关物理量，为定量研究合金浆料的流动与成形奠定基础。 研究表呼4 0 1 ，表观黏度随固相率的增加而增加，特别是当固相率超过某一 临界值时，表观黏度开始迅速上升，表观黏度的控制是很难的，此时表观黏度对 固相率的变化很敏感。在实际的操作中，固相率由液固两相体的温度决定，通 过s c h e i l 方程将温度换算成固相率的函数。通过对温度的控制就可以调节固相率 的大小，通常固相率达到0 4 左右时表观黏度将急剧增加。 在不同的固相率区间，半固态金属浆料表现的物性有很大区别，使用的物理 模型也不同。当固相率很低时( z 0 2 ) ，固相微粒间的相互作用很小，半固 态浆料可以作为一种牛顿黏性流体来处理；当固相率增大到o 2 - - 4 ) 6 时，固相微 粒间的相互作用己经十分明显，固相微粒相对运动的流体动力学行为以及固相微 粒的附聚行为被用来解释半固态金属浆料的性质；当固相率达到0 “0 7 以上时， 固相微粒已经形成了“骨架”，此时的半固态金属浆料可以被认为是浸透着液体的 多孔固体。 剪切速率对表观黏度也有强烈的影响。在相同的固相体积分数下，表观黏度 随剪切速率的上升而下降，在半固态浆料处于稳态时，他们关系满足p o w e r - l a w 定律。在流变学中，上述表观黏度与剪切速率的关系反映的是黏性浆料的“伪塑 性”( p s e u d o p l a s t i c i t y ) 。幂指数n 越小，浆料的伪塑性越显著。 若把影响表观黏度的主要因素全部考虑在内，则其可用下式表示： = ，户，m ，s ) 式中：m 为固相颗粒的形状参数； s 为固相颗粒附聚程度参数。 ( 1 4 ) 1 4 3 半固态组织形态对表观黏度的影响 当固相率正 0 1 时，低固相率半固态合金浆料的黏度可由e i n s t e i n 公式给出 【4 l 】【4 2 】： 刁= 1 - 主f , 1 c - 式中：r o 为液相黏度。 当考虑高固相体积分数及包裹液体的影响，可有如下所示的半固态浆料的黏 度公式： r - - r 0 ( 1 一蝣广7 2 ( 1 6 ) 畦一= + 爿( n 一1 ) 刀】 ( 1 7 ) 式中：蝣为f h 向固相体积分数，庐为等效固相体积分数，4 为模型参量， 反映聚集体中固体颗粒的堆积方式，n 为结构参量。 固体颗粒形态是通过单个固体颗粒中所包裹的液体而影响半固态浆料的黏 度的。用分形维度d ( f i a c t a ld i m e n s i o n ) 来表示： 七( d ) = t r 。2 z 。( 铡 s ， 妒= 七c s ，七c 。，4 ，。( 茜) 。一? ”。r 7 。= 正+ 甜 c ， 纯= + 簖= 正+ 掰+ 簖 ( 1 1 0 ) 式中：甜为包裹在单个固体颗粒中的液体分数；簖为包裹在等效球形固体 颗粒间的液体分数。 分形维数d ( 一般2 d 3 ) 越小，所包裹的液体越多，当d 趋近于3 时固体颗粒接近球形，几乎不包裹液体。对于给定的实际固相体积分数，包裹的 液体是有效固相分数增加，因此使体系的表观黏度增加，这一理论的实际应用是： 在浆料制备阶段就产生球形颗粒十分重要，因为这可以获得更好的充型性能和更 高质量的制品。 1 5 课题研究的意义、目的和主要内容 1 5 1 课题的依据和意义 随着流变成形技术优势的逐渐凸现，越来越多的目光集中在流变成型工艺和 设备上面，而制浆工艺是所有半固态加工工艺的前提和基础，微观形貌是表征半 固态浆料质量的主要标准，因此，研究工艺参数对半固态浆料的微观组织的影响 已成为该领域的重点研究课题。 1 2 转动输送管制各半固态浆料工艺，是在斜管法流变制浆工艺的基础上改进的 一种新的半固态浆料制备技术。它能有效利用低速转动的输送管对低过热金属的 激冷和搅拌的双重作用，可连续地提供高质量的半固态浆料，通过浇注机构实现 半固态浆料的连续性直接成形，在国内外尚属首创。 转动输送管制浆工艺关键是输送管内浆料组织演变过程，但这一宏观现象是 不可见的。近些年来，由于计算机性能的提高、凝固过程中各种物理现象研究的 进一步深入、数值方法的进一步发展，液态金属成型过程的宏观模拟已日趋成熟， 商业软件已可以对金属液充型过程，凝固过程和应力场进行耦合计算，成功地预 测出铸造过程中的缩孔、缩松、热裂及变形等缺陷。对实际的生产具有现实的指 导意义。利用计算机模拟技术来研究转动输送管制浆过程，有助于了解输送管内 半固态浆料的流动状况、温度分布及其流变特性，进一步可以优化工艺参数，获 得理想的微观组织。并且可以大大减少产品试制周期、降低生产成本、提高材料 利用率。 通过研究制浆过程中合金液的温度场与流场的分布状况，有助于理解浆料制 备过程的形核方式和初生晶的演变规则，进一步了解球状晶的形成方式，掌握 l s p s f 工艺制备细小、圆整半固态组织的工艺条件。 1 5 _ 2 本论文的研究内容 本文是国家自然科学基金项目“流变成形中浆料的微观结构控制和演变机理 研究”( 5 0 4 7 4 0 0 7 ) 的重要组成部分，主要内容包括： ( 1 ) 应用自主开发的半固态浆料制备装置，对各个系列铝合金( a i s i ，a 1 c u 系) 的浆料制备工艺进行研究，包括a 3 5 6 ( z l l 0 1 ) ，a 2 9 6 ( z l 2 0 1 ) ，a 3 8 0 ( y 1 1 2 ) 等合金。 ( 2 ) 研究浇注条件( 包括：浇注温度、入口流量) 和输送管控制参数( 包括： 倾斜角度、旋转速度、预热温度) 对l s p s f 半固态浆料组织的影响。 ( 3 ) 确定不同浇注工艺条件下，球状晶的形成条件和影响因素。找出最佳工 艺条件，建立组织参数与工艺条件间的关系； ( 4 ) 通过对制浆过程流场、温度场耦合数值模拟，考察合金熔体在流经输送 管的过程中，其浆料前端温度分布状况和自由表面形状。 ( 5 ) 研究l s p s f 工艺过程中半固态浆料的形核方式和演变机理。 第二章l s p s f 制浆设备与工艺的研究 2 1 试验条件及试验方法 2 1 1l s p s f 制浆工艺装置及流程 剪切低温浇注式半固态浆料制各工艺( l s p s f 工艺) ，是将过热的合金液 通过浇嘴，浇注到倾斜的转动输送管型腔入口，在重力和转动输送管内壁剪切 冷却作用下，合金由熔融状态转变为具有一定固相分数的半凝固状态，通过控制 输送管和浇注工艺参数，得到初生相分布均匀、晶粒圆整的半固态浆料，可将浆 料铸成锭坯后进行触变成型，或直接进行流变成形，剪切低温浇注制浆设备的简 化模型如图2 1 所示，工艺流程如图2 2 所示： 图2 1 剪切低温浇注式半固态浆料制备工艺装置简图( 1 浇嘴，2 伺服电动机，3 轴承，4 加热 系统，5 转动输送管，6 浆料蓄积器，7 空冷系统) f i g 2 1t h es i m p l ed i a g r a mo f l s p s fe q u i p m e n t ( 1 ，f e e d e r ；2 ，s e r v om o t o r ；3 ，s u p p o r t i n gb e a t i n g ； 4 ，h e a t i n ge l e m e n t ；5 ，r o t a t i o n a lb a r r e l ；6 ，r e c e i v i n gr e s e r v o i r ；7 ，a i r - c o o l i n ge l e m e n t ) 图2 2 制各半固态浆料工艺流程 f i g 2 2p r o c e s s o f s e m i s o l i ds l u r r y - m a k e r ( 1 )实验前处理及设备运行校正 l s p s f 技术在制备半固态合金材料时要求输送管内壁对合金液提供一定的 剪切力，这种剪切力是由输送管内表面与合金液之间的摩擦而产生的，为促进合 金液的非均匀形核，需要输送管内表面提供非均匀形核的基础表面，要求合金液 对输送管内表面的润湿性能较好。因此，要求输送管内表面具有一定的粗糙度， 且内表面必需干净，尤其是不能存在油污、结皮等杂物。为满足此实验要求，在 实验之前，需要用工具将浇嘴与转管内表面的残留金属及其氧化皮清除干净。 为防止设备安装时不同部件间出现过紧配合或松动，影响实验的进行，需要 将安装后的设备在运转状态下进行调整。同时调节好角度转换系统和电机马达， 使输送管达到预设的输送管倾角和转速( 利用红外侧速仪在线实时检测输送管的 转速) 。 ( 2 )合金熔炼与浇嘴的预热 将合金放置在干净的坩埚中，在s g 2 6 1 2 型6 3 千瓦电阻炉内进行合金熔 炼。由于考虑到合金与浇嘴接触且会发生温降，并且输送管的温度较低，为防止 合金的冷却速度过快，造成固相率过大，合金流出输送管末端困难，合金的浇注 温度不能太低。另一方面，在合金出加热炉后还要进行除气、搬运等