AlSi_9Mg合金半固态坯料制备有限元分析及工艺参数优化
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摘要
为了从根本上解决近液相线浇注法制备半固态坯料的工艺参数多而复杂相关、质量难保证的“瓶颈”问题。将数值模拟技术应用于近液相线浇注法制备AlSi_9Mg合金半固态坯料过程的分析，研究了浇注温度、浇注速度、冷却方式、浇注高度等工艺参数对充型、凝固过程中的速度场、温度场的影响，进而分析其对半固态微观组织的影响；总结出各工艺参数对半固态微观组织的影响规律。得出了一定的结论：浇注过程中，金属液以轴向流动为主，周向流动相对较弱。随着浇注的进行，周向流动逐渐增强。浇注过程中金属液的扰动剪切力很大，是形成非枝晶组织的重要原因。浇注温度的降低，浇注速度的增加，冷却强度的降低、浇注高度的增加都有利于获得优异的半固态非枝晶组织。
基于数值模拟研究得到的温度场、流场规律，选取合适的工艺参数，再根据正交试验设计原理，设计正交试验数据表，进行正交试验及多目标分析，得出各工艺参数的主次关系、重要程度，进而优化半固态坯料制备的工艺参数，并得出了一定的结论。就对温度场的影响而言，各工艺参数的主次关系为：冷却方式＞浇注温度＞浇注速度＞浇注高度；冷却方式对温度场的影响最为显著，浇注温度、浇注速度其次，而浇注高度最弱。相对冷却方式而言，其他三个因素的影响可以忽略。就对流场的影响而言，各工艺参数的主次关系为：浇注速度＞浇注高度＞浇注温度＞冷却方式；浇注速度对流场的影响最为显著，浇注高度、浇注温度其次，而冷却方式最弱，相对于浇注速度而言，其他三个因素的影响几乎可以忽略。
在所选的参数范围内，最优的一组工艺参数组合为：浇注温度为610℃，浇注速度为1.2kg/s，浇注高度为20mm，冷却方式为模具预热温度200℃。
实验研究结果表明：本文数值模拟分析的结果是正确的；近液相线浇注法能有效地获得具有均匀、细小的粒状初生晶的AlSi_9Mg合金半固态坯料。
To promote the application of semi-solid forming to industry, the numerical simulation technology has been applied to the analysis of the process of AlSi_9Mg alloy semi-solid billet production by pouring near liquids. The effect of pouring temperature, pouring height, pouring velocity and cooling condition on the velocity field and temperature gradient has been investigated, and the effect on microstructure of the semi-solid billet has also been researched. The results of numerical simulation and experiment shows that: the liquid metal flows mainly along axis, only a little metal along radius, but more and more metal will flow along radius. As a result, the shearing strength of the liquid metal is very large, which have a significant influence on the forming of non-dendrite grains. A lower pouring temperature, a lower cooling intensity, a higher pouring height and a higher pouring velocity are prone to forming spherical or nodular grains.
Then based on the results of the numerical simulation and the principle of the orthogonal experimentation, select appropriate technical parameters, and research the relation of the technical parameters. The result shows that as far as the temperature, the effect of cooling intensity is the biggest, following with pouring temperature, pouring velocity, pouring height. Compared with the effect of the cooling intensity, the others can be ignored. As far as the flow field, the effect of pouring velocity is the biggest, following with pouring height, pouring temperature, cooling intensity. Compared with the effect of the pouring velocity, the others can be ignored. The best technical parameter array is the one of pouring temperature is 610℃, pouring velocity is 1.2kg/s, pouring height is 20mm, and the die heat up to 200℃.
The experiment result of the true process shows that the result of the numerical simulation is correct, and this technology can obtain the wonderful AlSi_9Mg alloy semi-solid billet with spherical or nodular grains.
基于数值模拟研究得到的温度场、流场规律，选取合适的工艺参数，再根据正交试验设计原理，设计正交试验数据表，进行正交试验及多目标分析，得出各工艺参数的主次关系、重要程度，进而优化半固态坯料制备的工艺参数，并得出了一定的结论。就对温度场的影响而言，各工艺参数的主次关系为：冷却方式＞浇注温度＞浇注速度＞浇注高度；冷却方式对温度场的影响最为显著，浇注温度、浇注速度其次，而浇注高度最弱。相对冷却方式而言，其他三个因素的影响可以忽略。就对流场的影响而言，各工艺参数的主次关系为：浇注速度＞浇注高度＞浇注温度＞冷却方式；浇注速度对流场的影响最为显著，浇注高度、浇注温度其次，而冷却方式最弱，相对于浇注速度而言，其他三个因素的影响几乎可以忽略。
在所选的参数范围内，最优的一组工艺参数组合为：浇注温度为610℃，浇注速度为1.2kg/s，浇注高度为20mm，冷却方式为模具预热温度200℃。
实验研究结果表明：本文数值模拟分析的结果是正确的；近液相线浇注法能有效地获得具有均匀、细小的粒状初生晶的AlSi_9Mg合金半固态坯料。
To promote the application of semi-solid forming to industry, the numerical simulation technology has been applied to the analysis of the process of AlSi_9Mg alloy semi-solid billet production by pouring near liquids. The effect of pouring temperature, pouring height, pouring velocity and cooling condition on the velocity field and temperature gradient has been investigated, and the effect on microstructure of the semi-solid billet has also been researched. The results of numerical simulation and experiment shows that: the liquid metal flows mainly along axis, only a little metal along radius, but more and more metal will flow along radius. As a result, the shearing strength of the liquid metal is very large, which have a significant influence on the forming of non-dendrite grains. A lower pouring temperature, a lower cooling intensity, a higher pouring height and a higher pouring velocity are prone to forming spherical or nodular grains.
Then based on the results of the numerical simulation and the principle of the orthogonal experimentation, select appropriate technical parameters, and research the relation of the technical parameters. The result shows that as far as the temperature, the effect of cooling intensity is the biggest, following with pouring temperature, pouring velocity, pouring height. Compared with the effect of the cooling intensity, the others can be ignored. As far as the flow field, the effect of pouring velocity is the biggest, following with pouring height, pouring temperature, cooling intensity. Compared with the effect of the pouring velocity, the others can be ignored. The best technical parameter array is the one of pouring temperature is 610℃, pouring velocity is 1.2kg/s, pouring height is 20mm, and the die heat up to 200℃.
The experiment result of the true process shows that the result of the numerical simulation is correct, and this technology can obtain the wonderful AlSi_9Mg alloy semi-solid billet with spherical or nodular grains.
引文
[1] Flemings MC.Behavior of alloys in the semi-solid state. Metal Trans B, 1991, 22B(5): 269-293.
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