ZL201合金半固态压铸成形过程数值模拟

李 涛,张博彧,王 鹏,王冠州,卢仕琦,王 平

(材料电磁过程研究教育部重点实验室(东北大学)，沈阳 110004)

铝合金的触变压铸是目前研究和应用最多的触变压铸工艺，早在20世纪70年代初期，就进行了半固态铝合金触变压铸实验[1-3].经过半固态触变压铸成形，成型件中的缩孔、气孔等显微孔洞很少，零件可进行热处理强化[4]；零件的成分、组织和性能很均匀，可实现近终化成形和大幅度减少机加工量.因此，铝合金触变压铸在汽车及其他工业得到较大规模的实际应用[4-5].目前，人们对半固态成型技术已进行了大量研究[6-8]，并取得了许多卓有成效的成果[9-12]，但对于半固态压铸过程中浆料充型规律、流动特点等尚缺乏系统深入的了解.为此，本文采用AnyCasting铸造仿真软件特有的半固态触变功能模块(Bingham粘度模型)对半固态ZL201铝合金的触变充型过程进行数值模拟[13-14]，研究慢、快压射速度及切换时间对半固态触变压铸充型过程的影响，对最优充型条件下的铸件微观组织及力学性能进行模拟研究，并进行试验对比，以期为半固态成型技术的深入研究奠定实验基础.

1 模拟研究

模拟研究采用AnyCasting软件，在半固态金属浆料充型过程中，由于充型几乎在瞬间完成，可以忽略时间对半固态浆料粘度的影响，并假设半固态金属浆料所受剪切力超过屈服应力时开始流动，且表观粘度为常值，因此，在模拟过程中流体模型采用Bingham模型.半固态金属浆料的表观粘度是与温度、固相分数、剪切速率等有关的多元函数，比纯液态金属约高2～3个数量级，本模拟过程取表观粘度10 Pa·s[15].若铸件的内浇口直径为4.5 mm，半固态坯料充型速度为4 m/s，两相区的平均密度为2 780 kg/m3,则其雷诺数

远小于临界雷诺数2 300,是层流流动.式中：v为流体的流速；ρ为流体密度；η为流体的黏性系数；d为内浇口直径.

利用三维绘图软件Pro/E进行实体造型，如图1所示.造型结束后将实体模型导入AnyCasting中，而后进行网格划分、初始条件设置，最后进行流场数值模拟.

半固态触变压铸实验材料为ZL201合金，其液相线温度为650 ℃，固相线温度为547 ℃.模拟过程中半固态浆料温度设定为600 ℃，模具温度为240 ℃.压铸过程中速度主要有以下两种阶段.

1)慢速阶段.当半固态浆料注入压室的充满度在70%以下时，压室内的空气含量仍很多，此时需要慢速压射，使金属液流动平稳，空气能顺利排出.通常慢速射出速度为0.1～0.5 m/s.本文设定慢速阶段压射速度分别为0.35、0.25、0.15、0.1 m/s，确定最优慢速阶段压射速度.

2)快速阶段.金属液到达内浇口时，可进行高速切换，使金属液在高压高速下填充.通常高速压射速度在0.2～4.5 m/s以上.本文在确定最优低速阶段压射速度后，选择不同时间进行高速切换，高速压射速度分别设定为1、2、3、4 m/s.

图1 模拟模型

2 分析与讨论

2.1 慢速阶段不同压射速度对充型过程的影响

不同慢速阶段压射速度过程如图2所示.

图2 不同慢速阶段压射速度过程图

由图2看见，当压射速度分别为0.35、0.25、0.15 m/s时，金属浆料通过狭窄的内浇口后流动速度变快，此时随着浆料注入，填充型腔，流动特征发生了改变，由层流流动变成了紊流流动，如图2(a)、(b)、(c)所示，这种紊流的添充形式容易使大量气体被裹挟进型腔，使得成型件内部包裹大量气体，造成成型件内部组织疏松，力学性能严重下降.

当慢速阶段压射速度较小时，如为0.1 m/s时，此时由于压射速度不高，半固态浆料通过内浇口后并没有快速射入型腔，而是在内浇口附近堆积，逐渐向型腔里流动，流动平稳，呈层流特征，这种压射形式非常利于气体的逐渐溢出，成型件裹气的可能性大幅降低，成型件内部组织致密，具有较高的力学性能，如图2(d)所示，因此，慢速阶段最优的压射速度为0.1 m/s.

2.2 快速阶段压射速度与慢快速切换时间点对充型的影响

快速压射速度分别设定为1、2、3、4 m/s，金属浆料的填充过程将如图3所示.图3(a)为高速压射速度为1 m/s时的填充图，可以看到，浆料平稳的填充到型腔内，并无卷气现象，浆料呈现层流流动；而随着切换速度的增大，出现卷气现象并愈加明显，如图3(b)、(c)、(d)所示，由于充填速度很快，金属浆料获得很高的动能，充型过程会产生明显的卷气现象，严重影响铸件的质量.因此，高速阶段最优压射速度为1 m/s.

压铸的基本特点之一是快速充型，在整个快速压射阶段，即从快速点开始一直到浆料充型结束，金属浆料以30～60 m/s的速度，以射流的形式进入型腔，金属液会包卷气体，因此，第2阶段快速压射点的时间转换节点至关重要.转换太慢影响效率，转换太快浆料容易容易发生喷溅.根据前期的工作[9]，本文选取4个时间点进行高速切换，分别为低速阶段压射时间0.6、1.1、1.3、1.5 s后,从低速到高速的切换时间为0.01 s，高速压射速度选取较优的1.0 m/s.

图3 不同快速压射阶段速度填充图

图4为不同高速切换点的压铸过程图.当低速阶段充型时间较短时进行速度切换，即在内浇口附近进行高速切换，由于内浇口的限制，浆料充型速度很快，在充型刚开始时，在内浇口附近直接产生气囊，在浆料充型过程中，气囊中的气体逐渐被浆料包裹带到型腔的各个位置，如果气体不能排出，将在铸件内部形成气孔缺陷，严重影响铸件的质量，如图4(a)、(b)、(c)所示.随着低速阶段充型时间的延长，过了内浇口后再进行速度切换，这是因为型腔的下部在高速切换前已经填充了部分金属，因此，在高速切换后并无裹气现象，也没有发生回流，浆料平稳的充满整个型腔.铸件内部不会有气孔产生，使得组织致密，性能高，如图4(d)所示.因此，最优的压射速度是慢速阶段压射速度为0.1 m/s，在1.5 s时进行快速压射，快速阶段压射速度为1 m/s.

图5是压铸件的凝固过程，可以看出，压铸件的凝固是先从零件周围开始，向中心处延伸，最后凝固部位为浇口中心处和零件尺寸较大的部位.

图6是模拟的铸件硬度分布图，可以看出，ZL201合金半固态触变压铸件上不同部位维氏硬度分布，其最小维氏硬度为68HV，最大维氏硬度为72HV，整个铸件平均硬度为70HV，分布均匀.

图6 维氏硬度

由图7的模拟抗拉强度分布图可见，在内浇口附近抗拉强度最高可达238 MPa，而在其内部平均值约为208 MPa.这是由于金属液流动时对周围的不断冲刷和搅拌作用，在这一区域形成一细晶区，晶粒尺寸较小，密度较大的原因.

图7 抗拉强度

图8为联合缺陷系数分布图.由图8可知，由于宏观补缩容易形成管筒形的一次缩孔，因此，在铸件浇口处由于补缩的原因造成联合缺陷系数较大.另外，由于冷却强度较大浆料来不及补缩，在零件曲率较大的地方也会造成缺陷系数较大.

图8 联合缺陷系数分布

图9是按照低速阶段压射速度是0.1 m/s，在1.5 s时进行快速压射，快速阶段压射速度是1 m/s工艺条件下的成型件显微组织照片.表1为其力学性能,可以看出，成型件内部组织致密，性能较高，与模拟结果符合较好.

图9 压铸件的显微组织

平均抗拉强度/MPa平均硬度值(HV)212.570.8

3 结 论

1)通过Anycasting模拟，压射速度为慢速阶段压射速度0.1 m/s，在1.5 s时进行快速压射，快速阶段压射速度1 m/s,此时压铸效果最好且浆料以层流方式填充.

2)模拟成型件的平均硬度为70HV，平均抗拉强度为208 MPa,与实际符合较好.