劉政1, , 陳志平1, 陳濤2

1 江西理工大學機電工程學院 贛州 341000
2 江西理工大學材料科學與工程學院 贛州 341000

摘要

關鍵詞： 半固態鋁合金 ; 坩堝尺寸 ; 電磁頻率 ; 流速 ; 數值模擬

在半固態鋁合金的研究中,電磁攪拌技術受到大量國內外研究人員的關注,研究可歸納為2個方面：實驗研究[1,2,3]和數值模擬[4,5,6,7]。液相金屬流動是凝固過程中常見的一種現象,主要分為：自然對流、強迫對流和亞傳輸過程引起的流動[8]。半固態鋁合金加工中,電磁場的作用是一個非平衡過程,因而傳統的金屬凝固理論難以解釋其中的一些現象,比如不規則性、非線性、混沌性和分形性[9,10,11],還需探索新的手段和完善理論。在金屬凝固過程中,可通過施加磁場[12,13],進而影響金屬熔體凝固前沿的推進、溫度和溶質的分布,最終對材料的宏微觀組織產生影響[14,15,16]。研究人員運用數值模擬和實驗研究相結合的方法進行了大量的探究,例如Chowdhury等[17]建立了基于連續整體的數學模型,求解了分離守恒方程以確定固相速度,發現數學模擬模型與實驗觀測結果一致,說明方程具有真實可靠性;陳興潤等[18]建立了鋁合金半固態漿料電磁攪拌過程中宏觀傳輸物理量耦合的數學模型,實現了電磁攪拌條件下電磁場、流場和溫度場的耦合模擬分析,發現攪拌頻率對電磁場、速度場和溫度場分布的影響非常明顯;Zhang等[6]用環縫式電磁攪拌法制備半固態漿料過程進行電磁場、流場和溫度場的數值模擬,發現數值模擬與實驗驗證相一致;陶文琉等[19]建立了多場耦合的二維數值模型,發現攪拌頻率增加會使電磁場增大且分布不均勻,從而造成漿料流速迅速增大并且分布不均勻,在合適的電磁攪拌強度下可獲得較好的初生相組織。半固態合金凝固組織的演變是一個動態過程,特別是電磁擾動引起合金凝固時溫度場、濃度場和流場的變化將影響到合金熔體中溶質擴散與分布,繼而影響合金熔體的流動。因此,需要考慮合金凝固過程中熔體流動狀態的變化。本文作者前期工作[20]利用Fluent軟件模擬電磁場作用下鋁熔體中微粒的流動軌跡,發現施加適當的電流頻率能在合金熔體中產生混沌運動,在適當的頻率下半固態A356鋁合金的初生相形貌和尺寸演變有利于流變成形。

目前國內外學者主要利用圓柱型坩堝研究電磁攪拌工藝參數對半固態漿料質量和凝固組織的影響。對于圓柱形坩堝來說,電磁場強度和電磁力的分布與坩堝尺寸、電磁頻率有關,可以通過變頻技術實現熔體流動的變化并對其進行控制;若采用非圓坩堝,則可以在恒定的電磁頻率作用下,利用坩堝尺寸的變化,實現熔體流動變化,有望對熔體凝固組織產生影響,而且操作更簡單、更節能。在半固態鋁合金漿料的制備過程中,考慮非圓坩堝和熔體流速差對獲得圓整細小的晶粒具有重要的研究意義。本工作通過數值模擬和實驗研究相結合的方法,分析坩堝長短軸比例R對制備半固態A356鋁合金漿料時的流動規律的影響,并與圓柱型坩堝進行對比。

1 數值模擬

1.1 相關模型

利用Ansys15.0軟件對自制的電磁攪拌器的電磁場進行計算和仿真,目的是獲得電磁力沿坩堝中心到邊緣上的分布,從而獲取徑向上的最大電磁力。電磁攪拌器內部電磁模型分析的基礎為Maxwell方程組,通過該方程組可對電磁場進行計算,同時也為電磁有限元仿真與分析提供了依據。不同尺寸坩堝內的磁場由YZ112M-6型三相異步電動機定子產生。因此,需要建立的有限元模型實質就是該三相異步電動機的定子模型[21]。其中電磁攪拌器參數為：額定功率1.5 kW,額定電壓380 V,額定頻率50 Hz,極數6,額定轉速920 r/min,定子外徑和內徑分別為182和127 mm,線圈繞組外徑160 mm,接線方式Y形接線,線圈匝數21。流場分析時,首先在Workbench15.0軟件中選用Mesh網格劃分模塊,將不同R的坩堝進行網格劃分后的結果導入到Fluent流場模塊中,采用標準湍流模型,流場分析中的材料參數參考文獻[22],將最大電磁力作為流場分析中動量方程的附加源項[23,24],進一步求解得到最大流速。

1.2 模擬假設

由于電磁攪拌作用下坩堝內的熔體流動較復雜,模型假設如下[18,25~27]：(1) 模擬時假設各媒介為線性、均勻、各向同性;(2) 假設沿著坩堝軸向的任一橫截面的電磁場都相同;(3) 鋁合金液為不可壓縮性流體,不銹鋼坩堝厚度忽略不計;(4) 在半固態鋁合金溫度為590 ℃時,熔體中的固相體積分數為20%,仍作為一種Newton黏性流體來處理;(5) 模擬過程中,假定金屬熔體邊界不發生變化,即邊界位移為0;(6) 假設電磁攪拌過程中整個熔體區域的溫度為590 ℃,此時熔體各部分的黏度相同;(7) 采用順序耦合的方法,電磁場影響流場,流場不影響電磁場。

1.3 材料電磁參數的確定

模型材料的物理屬性為[18,25~27]：定子鐵芯的相對磁導率是3000,通電線圈、空氣氣隙和半固態鋁合金的相對磁導率都為1,通電線圈和半固態鋁合金的電阻率分別為1.7×10-8和2.1×10-7 Ωm。

1.4 前處理步驟

(1) 創建物理環境：過濾圖形界面為“Magnetic-Nodal”,定義2個單元類型為“Plane53”,修改第一個單元的自由度為“AZ CURR”,設置材料屬性的電磁單位為“MKS system”,并對不同模型材料的電磁參數進行定義說明。

(2) 建立模型、賦予特性、劃分網格：打開面積區域編號顯示,創建平面幾何模型,模型材料由外到內包括定子鐵芯、通電線圈、空氣氣隙和半固態鋁合金;并賦予模型區域磁導率和電導率屬性,重疊實體面,設置網格密度并劃分網格,定義通電線圈實常數和耦合線圈的電流自由度。

(3) 施加邊界條件和載荷：施加磁力線平行邊界條件,選擇諧波分析類型,給線圈施加電壓載荷380 V。

1.5 模型及網格劃分

不同R下的模型和網格劃分如圖1所示,短軸即X坐標軸,長軸即Y坐標軸。

圖1   不同坩堝長短軸比例R下的模型和網格劃分

Fig.1   Models (a~d) and mesh partitions (e~h) with major and minor axial ratio of crucible R=1.0 (a, e), R=1.1 (b, f), R=1.2 (c, g) and R=1.3 (d, h)

1.6 計算過程

數值模擬計算流程圖如圖2所示,先建立相關模型,然后賦予模型主要物理參數,接著進行網格劃分和確定邊界條件,并進行加載和求解,對比后進一步修正計算結果,最后收集相關數據。

圖2   計算流程示意圖

Fig.2   Calculation flow diagram

2 模擬結果

2.1 坩堝尺寸和電磁頻率對最大電磁力的影響

圖3為不同R和電磁攪拌頻率條件下最大電磁力的變化?？梢钥闯?R和電磁頻率共同影響著半固態A356鋁合金所受的最大電磁力。如圖3a所示,在電磁頻率一定時,隨著R的增大,半固態A356鋁合金在X坐標軸(即短軸)上所受的最大電磁力呈先增大后減小的趨勢,在R為1.1時,半固態A356鋁合金所受的最大電磁力最大;半固態A356鋁合金在Y坐標軸(即長軸)上所受的最大電磁力呈先增大后減小再增大的現象,在R為1.1之后的最大電磁力變化不明顯,可認為此R下在Y坐標軸上的最大電磁力也達到最大。頻率越高,半固態A356鋁合金在X坐標軸和Y坐標軸上的所受的電磁力差越顯著。如圖3b所示,在R一定時,隨著電磁頻率的增大,半固態A356鋁合金在X坐標軸上的所受的最大電磁力呈增大的趨勢,Y坐標軸上的最大電磁力曲線的變化趨勢也相同;在R為1.1時,在Y坐標軸上的最大電磁力曲線的變化趨勢與R為1.3時的變化趨勢基本重合,且在不同的頻率下達到最大的電磁力。表1為不同R和電磁攪拌頻率條件下長短軸上的電磁力差的變化。可以看出,R為1.3時的長短軸上的電磁力差幾乎是R為1.0到1.2時電磁力差的總和。

圖3   不同R和電磁頻率下的最大電磁力

Fig.3   Maximum electromagnetic force under different R (a) and electromagnetic frequencies (b) (X and Y represent minor and major axes, respectively)

2.2 坩堝尺寸和電磁頻率對熔體最大流速的影響

圖4為不同R和電磁攪拌頻率條件下最大流速的變化?？梢钥闯?R和電磁頻率共同影響著A356鋁合金熔體的最大流速。如圖4a所示,在電磁頻率一定時,隨著R增大,A356鋁合金熔體在X坐標軸上的最大流速呈先增大后減小的趨勢,在Y坐標軸上的最大流速呈先增大后減小再增大的現象;在X坐標軸上的流速曲線的變化趨勢相同,流速曲線上出現峰值,在R為1.1時,A356鋁合金熔體的最大流速最大。A356鋁合金熔體在X坐標軸和Y坐標軸上的最大流速存在差值,定義為流速差。表2為不同R和電磁攪拌頻率條件下長短軸上的流速差的變化。可以看出,A356鋁合金熔體的流速差隨R的增大先減小后增大。頻率越高,流速差越大,因而可使得熔體流動時出現“加速-減速-加速”的循環運動現象。如圖4b所示,在R一定時,隨著頻率的增大,X和Y坐標軸上的最大流速不斷增加,但增加的趨勢越來越平緩。

圖4   不同R和電磁頻率下的最大流速

Fig.4   Maximum flow rates under different R (a) and electromagnetic frequencies (b)

3 實驗方法和結果

本實驗所用A356鋁合金經Magix(PW2424)X熒光光譜儀分析,得出該合金主要化學成分(質量分數,%)為：Si 7.14,Mg 0.33,Fe 0.135,S 0.011,Cu 0.002,Mn 0.012,Zn 0.021,Ti 0.021,Zr 0.004,Al余量。利用差熱分析法(DTA)確定A356鋁合金固液兩相區的溫度為576.1~ 615.6 ℃。

運用低過熱度澆注和變頻控制電磁攪拌工藝制備半固態A356鋁合金漿料。將預先配置好的鋁合金爐料放入預熱到300 ℃的石墨坩堝中,在SG 2-6-10型電阻爐中升溫至720 ℃使其熔化;合金完全熔化后加入20 g覆蓋劑(99.5%NaCl+99.5%KCl,質量分數,下同)以減少合金吸氣,10 min后進行第一次扒渣;將爐體溫度升至750 ℃,且靜置10 min后加入精煉劑(99.5%CCl3CCl3),加入量為爐料總質量的0.2%~0.7%,分2~3次壓入熔池一定深度處,每次精煉時間為3~5 min,總的精煉時間控制在8~15 min。當精煉完成10 min后進行第二次扒渣,然后將爐體溫度降至630 ℃后進行澆注;澆注到預熱360 ℃的不銹鋼坩堝中(坩堝高度為100 mm,厚度為4 mm),立即啟動自制的電磁攪拌裝置,在合金熔體凝固過程中對不同長短軸比例坩堝中的半固態鋁合金漿料以30 Hz電磁頻率攪拌12 s,使得半固態漿料中的初生相在電磁擾動下形核、生長、破碎、分離等,為后續的形貌演變、晶粒細化提供條件。攪拌結束后將坩堝放入預先設定好的590 ℃保溫爐中保溫10 min;保溫結束后進行水淬,獲得半固態鋁合金鑄錠。

從制備的鑄錠中部處截取一個圓片或橢圓片,并切取中心處的10 mm×10 mm×12 mm長方體作為金相試樣。各金相試樣經預磨和拋光后,用0.5%HF (體積分數)水溶液進行腐蝕,之后利用 Axioskop 2型光學顯微鏡(OM)進行金相組織的觀察和分析。

使用Image-Pro-Plus軟件對凝固組織中初生相的平均等積圓直徑D和平均形狀因子F進行測量：

$\begin{array}{c}?=2{(?/\left.?\right)}^{\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.}\end{array}$(1)

$\begin{array}{c}?=4\mathit{\pi A}/{?}^2\end{array}$(2)

式中,A為初生相的平均面積,P為凝固組織中初生相的平均周長。

不同R下半固態A356合金初生相形貌的OM像如圖5所示,圖6為對應的半固態A356合金初生相的平均等積圓直徑和平均形狀因子。由圖5a可知,R為1.0時的A356鋁合金初生相較粗大,幾乎無圓整細小的初生相組織,經測量可得,A356合金初生相的平均等積圓直徑為162.8 μm,平均形狀因子僅為0.53。如圖5b所示,當R為1.1時,凝固組織的初生相發生了明顯的轉變,主要為橢球狀和近球狀的晶粒,晶粒整體上較細小均勻,此時的初生相的平均等積圓直徑為112.4 μm,平均形狀因子為0.69。從圖5c可得,R為1.2時,合金中初生相的形貌主要表現為枝晶特征,主要為長條晶和粗大的晶粒,此時的平均等積圓直徑上升至154.7 μm,平均形狀因子降至0.43。如圖5d所示,當繼續增大R至1.3時,A356合金的初生相的尺寸比圖5c有所減小,晶粒相對更圓整,此時的平均等積圓直徑為135.2 μm,平均形狀因子為0.63。

圖5   不同R下半固態A356合金初生相形貌的OM像

Fig.5   OM images show the primary phase morphologies of semisolid A356 alloy with R=1.0 (a), R=1.1 (b), R=1.2 (c) and R=1.3 (d)

4 分析討論

若要獲得最大電磁力和最大切向速率,存在最佳的電磁頻率[26]。電磁場頻率越大可激發產生的電磁力越大,因而可獲得更大的流動速率。但是,并不是最大電磁力和最大流速越大越好。電磁攪拌頻率在電磁攪拌過程中是一個非常關鍵的工藝參數,攪拌頻率增大時,電磁場增大但趨膚效應更加明顯,其分布更不均勻;電磁頻率很大時漿料的流動速率很大,但攪拌效果不一定好[19]。隨著頻率的增加電磁力也增大,且存在一個較合適的電磁頻率[28]。適當的磁場頻率能夠獲得理想的磁場、流場和溫度場[27]。本模型模擬計算結果也有上述類似情況,因此模型是可行的。然而本工作發現,長軸和短軸上的最大電磁力之間存在一定的差值,即電磁力差。電磁力差并不是一成不變的,會隨著電磁頻率和R的變化而變化。電磁力差隨R的增大而增大,這是由于R越大,長軸越靠近電磁感應線圈,短軸則越遠離電磁感應線圈,因而長軸上就可獲得更大的電磁力,短軸上的電磁力就更小。在電磁力達到一定值時,才有可能促使熔體產生流動并強化初生固相間或其與液相間的摩擦、撞擊和剪切以獲得相對優質的半固態組織。適當的電磁力可促使半固態鋁合金熔體受到的攪拌更加充分,并加快半固態鋁合金熔體的傳質傳熱,從而細化晶粒,使漿料性能變得更好。

圖6   不同R下半固態A356合金的初生相的平均等積圓直徑D和平均形狀因子F

Fig.6   Average equal-area circle diameter D and average shape factor F of the primary phase of the semisolid A356 alloy under different R

電磁頻率較小時,產生的電磁力較小,因而流動速率較小,使得熔體攪拌得不夠充分,初生相組織分散不夠,因而所得的初生相組織較差;電磁頻率較大時,產生的電磁力較大,因而流動速率較大,使得熔體攪拌得較充分,初生相組織分散較細小均勻。然而電磁頻率過大時,流速很大會造成湍流現象,易發生卷氣、卷雜物等,從而會降低攪拌效果[19]。A356合金熔體從坩堝短軸邊緣流動到坩堝長軸邊緣時的最大流速呈增大的趨勢,而由坩堝長軸邊緣流動到坩堝短軸邊緣時最大流速呈減小的趨勢,因而可使得熔體流動時出現“加速-減速-加速”的循環運動現象,從而改變合金的形核動力學。合金形核動力學改變導致形核率增加是晶粒細化的主要原因[29]。在“加速-減速-加速”這樣的流動規律下,只有在合適的電磁頻率和R下才可獲得較好的半固態漿料組織。從實驗結果來看,當電磁攪拌頻率為30 Hz,R為1.1時,半固態A356鋁合金漿料初生相組織的平均等積圓直徑最小,平均形狀因子最大,說明此時的微觀組織達到最佳狀態。當電磁攪拌頻率和R分別為30 Hz和1.1時,坩堝長軸和短軸上的A356鋁合金熔體的流速分別為153.6和143.2 mm/s,此時流速差最小。

5 結論

(1) 在電磁攪拌作用下,不同坩堝尺寸中的半固態A356鋁合金漿料熔體流動時出現“加速-減速-加速”的循環運動現象。

(2) 當電磁攪拌頻率為30 Hz,坩堝長短軸比例為1.1時,可制備出相對圓整細小的半固態A356鋁合金漿料,此時長軸和短軸上的最大流速分別為153.6 和143.2 mm/s,流速差最小。

(3) 通過數值模擬與實驗研究相結合,可知在電磁攪拌對熔體的作用下,并非是流動速率越快時熔體凝固后的組織形貌越好,需要合適的最大流速及流速差。

(4) 流速的變化對制備半固態鋁合金漿料影響較大,在半固態鋁合金漿料的制備過程中考慮熔體流速差對獲得圓整細小的晶粒具有重要的意義。

來源--金屬學報