原標(biāo)題：流變成形數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀及展望

摘要：合金流變成形的數(shù)值模擬可有效預(yù)測半固態(tài)成形中充型和凝固過程，對壓力場、速度場、固相分布、充填速度、充填溫度、以及成形過程的缺陷等進(jìn)行分析，對工藝、設(shè)計(jì)相關(guān)的方案優(yōu)化提供相關(guān)的決策幫助。綜述了近年來合金流變成形數(shù)值模擬技術(shù)的理論基礎(chǔ)，以及國內(nèi)外流變成形合金的研究進(jìn)展和未來發(fā)展方向。

半固態(tài)漿料打破了傳統(tǒng)的鑄造成形模式，能形成球晶，能有效地減少內(nèi)部缺陷，提高合金的力學(xué)性能，并具有較低的成形溫度，模具受到的熱沖擊比較小，使模具的使用壽命得到延長。由于半固態(tài)流變成形具有能耗較少、成本較低、質(zhì)量較優(yōu)等特點(diǎn)，已逐漸成為半固態(tài)成形技術(shù)發(fā)展與技術(shù)推廣的主要趨勢[1~4]。半固態(tài)流變成形的過程是一個(gè)涉及到多種物理場變化的復(fù)雜過程，如溫度場、應(yīng)力場、流場、速度場等。由于半固態(tài)流變成形技術(shù)綜合了傳統(tǒng)鑄造、鍛造等加工方法的諸多優(yōu)點(diǎn)，已成功應(yīng)用到交通運(yùn)輸、航空航天等領(lǐng)域輕量化設(shè)計(jì)生產(chǎn)，具有較好的應(yīng)用前景。

半固態(tài)流變成形過程具有溫度較高，試驗(yàn)過程內(nèi)部變化難以觀測，利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對半固態(tài)成形的充型、凝固等過程的仿真。通過計(jì)算機(jī)模擬仿真，能有效縮短試驗(yàn)周期，降低材料消耗、避免實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)等。能夠預(yù)測出流變成形過程中半固態(tài)漿料各物理場量的變化規(guī)律和構(gòu)件可能產(chǎn)生缺陷的位置與類型，對流變成形的最佳工藝參數(shù)設(shè)計(jì)和方案優(yōu)化具有重要的指導(dǎo)意義。

1、流變成形數(shù)值模擬的數(shù)學(xué)模型建立

半固態(tài)金屬的充型過程是不可壓縮的非穩(wěn)態(tài)流動過程，在充型過程中，固相率大于40%時(shí)，其流動一般為層流流動，在充填過程中流動控制方程采用能量守恒方程、動量方程、連續(xù)性方程、體積函數(shù)方程。

2、流變成形數(shù)值模擬的研究現(xiàn)狀

SEYBOLDT C等利用AlSi7Mg0.3、AlMgSi1兩種合金的熔點(diǎn)差異，通過磁場加熱使兩種材料的溫度差控制在50 ℃，為進(jìn)一步使目標(biāo)構(gòu)件成形至溫度降低而不發(fā)生相變化的狀態(tài)，將兩種合金連接部分混合成均勻的半固態(tài)，采用試驗(yàn)與ANSYS數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，運(yùn)用電磁感應(yīng)加熱制備漿料的方法，分析兩種不同熔點(diǎn)的固相鋁合金至半固態(tài)成形過程中的溫度場分布規(guī)律。值得注意的是，由于該計(jì)算過程忽略了漿料、模具及環(huán)境的導(dǎo)熱過程，其計(jì)算的加熱時(shí)間和實(shí)際的加熱時(shí)間存在差異比較明顯。

胡南等以輪轂為研究對象（見圖1），利用ProCAST模擬高固相率（大于40%）下半固態(tài)漿料充型過程的流場、溫度場變化探究其規(guī)律，并用正交試驗(yàn)方法（各因素、水平的選取見表1）得出較為理想的工藝參數(shù)。發(fā)現(xiàn)漿料充型過程中呈層流流動，沒有卷氣和渦流，同時(shí)鋁合金輪轂的內(nèi)部缺陷體積較小， X射線探傷發(fā)現(xiàn)輪轂中的缺陷基本被消除。

圖1：鋁合金汽車輪轂結(jié)構(gòu)圖

表1：正交試驗(yàn)的因素和水平

李道忠等以輪轂為研究對象，用半固態(tài)流變擠壓鑄造代替?zhèn)鹘y(tǒng)鑄造生產(chǎn)試驗(yàn)輪轂（見圖2），探究半固態(tài)漿料充型過程中的壓射速度、澆注溫度等工藝參數(shù)對凝固的影響規(guī)律。發(fā)現(xiàn)半固態(tài)漿料的澆注溫度對鑄件缺陷的影響最大，壓射速度其次，模具預(yù)熱溫度最小；最佳工藝參數(shù)：壓射速度為0.07m/s、澆注溫度為595℃、模具預(yù)熱溫度為225℃。

圖2：半固態(tài)漿料的充型過程

鄭鵬等采用Flow-3D軟件對A357鋁合金半固態(tài)流變壓鑄連桿件生產(chǎn)過程進(jìn)行研究，研究了壓射壓力、壓射速度對其充型及凝固過程進(jìn)行模擬,并通過試驗(yàn)對其進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著壓射壓力和壓射速度的增大,半固態(tài)漿料的流變行為由層流狀態(tài)向紊流狀態(tài)轉(zhuǎn)變；同時(shí)隨著壓射壓力、壓射速度的增大，鑄件產(chǎn)生氣孔的幾率也變大。岑堯等采用ProCAST軟件對某四缸柴油機(jī)的曲軸進(jìn)行了模擬，采用正交試驗(yàn)分析了澆注溫度、壓射速度及模具初始溫度對鑄件力學(xué)性能和缺陷的影響，獲得了最優(yōu)的工藝參數(shù)：澆注溫度625℃、壓射速度3.5m/s、模具初始溫度400℃。高倩等采用ProCAST對7075鋁合金及4.5%TiB2/7075材料流變壓鑄輪轂的生產(chǎn)過程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了模具溫度、澆注溫度對鑄件孔隙率的影響。結(jié)果表明，流變鑄造充型過程相比液態(tài)鑄造更為平穩(wěn)。輪轂孔隙率隨模具溫度降低而增大，澆注溫度降低最大熱裂指數(shù)減小而孔隙率變化較小。高倩等[17]使用ProCAST軟件對蛇形管制備TiB2/7075半固態(tài)漿料過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出了適宜的蛇形管溫度、澆注溫度及蛇形管彎道數(shù)量，在蛇形管保溫溫度為400℃，澆注溫度為670℃時(shí)能夠獲得半固態(tài)漿料。根據(jù)數(shù)值模擬得到的工藝參數(shù)，進(jìn)行流變擠壓鑄造試驗(yàn)，能夠獲得良好的球狀晶組織。管仁國等利用分別取輥?靴型腔內(nèi)和模具型腔內(nèi)合金為研究對象，建立三維模型，然后用ANSYS軟件對AZ31鎂合金連續(xù)流變擠壓成形過程中，對溫度場和流場影響進(jìn)行數(shù)值模擬，探究其影響的規(guī)律。為了獲得優(yōu)良的半固態(tài)金屬漿料，確定澆注溫度為710~770 ℃；合金在輥?靴型腔內(nèi)層流運(yùn)動時(shí)，越靠近工作輥內(nèi)表面，合金的運(yùn)動速率越大；為了改善模腔內(nèi)金屬流動速度的不均勻性，擴(kuò)展角以45°為宜。RAGAB K A等采用Procast仿真軟件進(jìn)行A357鋁合金半固態(tài)成形技術(shù)研究，設(shè)計(jì)了4種不同結(jié)構(gòu)的控制臂模型，使用ProCast軟件模擬可視化半固態(tài)金屬漿料流動成形過程中流場的分布和凝固特點(diǎn)，預(yù)測產(chǎn)生湍流和凝固缺陷，提出了優(yōu)化方案。周冰等利用自行研發(fā)的強(qiáng)制對流流變成形設(shè)備制作7075鋁合金半固態(tài)漿料，觀察半固態(tài)漿料在不同攪拌速率下的微觀組織的狀態(tài)，并對半固態(tài)料漿的制備過程進(jìn)行數(shù)值模擬（見圖3），研究半固態(tài)漿料在裝置內(nèi)的流動特性以及攪拌速度對漿料溫度場和固相率的影響。發(fā)現(xiàn)在半固態(tài)料漿的制作過程中，強(qiáng)制對流流變成形裝置的內(nèi)部存在較為復(fù)雜的對流狀態(tài)，明顯改變了漿料的溫度場分布和固相率；研究發(fā)現(xiàn)如果增加對流強(qiáng)度，會有利于減小其過冷度梯度，并改善初生晶粒的分布。

圖3：7075鋁合金熔體在FCR裝置內(nèi)的流速場分布

DAS P等建立了一個(gè)計(jì)算流體學(xué)(CFD)模型，以研究A356鋁合金半固態(tài)漿料在流變壓力壓鑄(RPDC)系統(tǒng)中的充型和凝固過程，用于試驗(yàn)?zāi)＞叩某湫颓粚?yīng)汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的充型腔。通過CFD的理論分析和試驗(yàn)，確定了用于CFD模擬的流變模型。通過計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬得到了充型階段料漿在模腔內(nèi)的粘度變化、流場、固相分?jǐn)?shù)分布以及模腔內(nèi)凝固過程中的溫度場和壓力場的分布狀態(tài)。該研究的主要目的是確定澆注溫度和注射條件，以獲得理想的組織和力學(xué)性能。胡勇等對Mg2Si/AM60材料的半固態(tài)漿料為研究對象，對其充型凝固過程進(jìn)行數(shù)值模擬，預(yù)測了可能出現(xiàn)的缺陷，并對半固態(tài)流變成形過程進(jìn)行試驗(yàn)，為流變壓鑄工藝提供數(shù)據(jù)和技術(shù)參考。結(jié)果表明：在液相充型過程中，壓力的變化表現(xiàn)較為雜亂無序，沒有規(guī)律可循；而在半固態(tài)充型過程中，伴隨半固態(tài)漿料在方向上的移動，壓力呈現(xiàn)出逐漸減弱的趨勢，產(chǎn)生出十分有利于漿料充型的背壓；而且能夠有效減小，甚至避免液態(tài)充型狀態(tài)下的縮孔和縮松。試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果基本相符，驗(yàn)證了半固態(tài)流變成形的質(zhì)量優(yōu)于液態(tài)成形。房元明等采用Magmasoft軟件模擬了7075鋁合金汽車連桿鑄件（見圖4）的充型和凝固過程，并對該模擬過程進(jìn)行優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上還進(jìn)行了流變壓鑄試驗(yàn)研究。發(fā)現(xiàn)當(dāng)前已有的模擬仿真模型可以較好地反映出7075合金在不同壓鑄工藝參數(shù)下的充型和凝固過程，當(dāng)壓射速度（見圖5）為3m/s、模具溫度為（見圖6）150 ℃時(shí)，可以獲得無缺陷或缺陷可忽略的鑄件。用優(yōu)化模擬后的工藝參數(shù)再次對7075鋁合金連桿件進(jìn)行流變壓鑄和普通壓鑄試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)流變壓鑄件顯微組織表現(xiàn)為顆粒較小且均勻有序，而普通壓鑄件得顯微組織則表現(xiàn)為顆粒較大不均勻無序。

圖4：7075鋁合金連桿壓鑄件

圖5：不同壓射速度鑄件的填充材料分析

圖6：不同模具溫度凝固過程中的溫度梯度分布圖

張瑩等從半固態(tài)漿料在外力作用下發(fā)生的流動和變形的角度進(jìn)研究（見圖7和圖8），運(yùn)用Fluet軟件對AZ3l半固態(tài)鎂合金流變鑄軋過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分別對4種不同的粘度模型進(jìn)行分析，得到了鎂合金鑄軋凝固過程的偏移速率圖、粘度分布圖和溫度場，三者之間相互作用的關(guān)系：在一定范圍內(nèi)，溫度的升高和剪切速率的增大而減小。結(jié)果顯示，簡單的等溫穩(wěn)態(tài)粘度模型適用于大范圍剪切速率下的凝固模擬，而此種工況下較理想的黏度模型為Carreua黏度模型。

綜上，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展和探索，半固態(tài)流變成形數(shù)值模擬隨著計(jì)算流體力學(xué)軟件有了很大發(fā)展。研究者利用商業(yè)軟件或基于現(xiàn)有的流變學(xué)軟件，自主研發(fā)了多種模擬半固態(tài)漿料流動的模型，通過計(jì)算機(jī)模擬半固態(tài)流變成形主要研究發(fā)展重點(diǎn)方向：①不同壓射壓力、壓射速度，澆注溫度等工藝參數(shù)下，半固態(tài)漿料充型和凝固過程的影響規(guī)律，從而能更好的解決鑄件球狀晶組織、晶粒之間的偏析問題；②模擬半固態(tài)流變成形充型過程的流場和溫度場，能夠預(yù)測鑄件內(nèi)部可能產(chǎn)生湍流和出現(xiàn)陷入性缺陷的位置以及嚴(yán)重程度；③通過數(shù)值模擬，采用不同的黏度模型進(jìn)行分析，得到合金凝固過程的剪切速率圖、粘度分布圖和溫度場，獲取最佳的粘度模型；④通過數(shù)值模擬，可以對鑄造工藝進(jìn)行方案優(yōu)化，能夠做出更貼合實(shí)際生產(chǎn)要求、直觀呈現(xiàn)多相流動過程中流動行為的模擬結(jié)果，為更加精確預(yù)測多相流動過程，為實(shí)際生產(chǎn)過程提供參考。

3、流變成形數(shù)值模擬研究的展望

基于流體力學(xué)中建立相關(guān)常見的模型有VOF模型、Mixture模型、eulerian模型和Wet Steam模型等。在半固態(tài)流變成形中，最常用的模型是VOF模型，可以充分模擬液體的充型過程。數(shù)值模擬能夠有效的模擬試驗(yàn)過程中的充型、氣孔分布、缺陷、漿料在流動過程中的粘度分析、熱應(yīng)力、溫度場變化等，為大規(guī)模生產(chǎn)提供技術(shù)服務(wù)，還能夠進(jìn)一步改進(jìn)壓射速度、澆注溫度等工藝參數(shù)。

但是由于半固態(tài)流變成形的過程復(fù)雜多變，致使相關(guān)的研究進(jìn)行的比較緩慢。目前，半固態(tài)流變成形的形成過程還只是處于云圖階段，它不能反映半固態(tài)漿料微觀組織的具體流動過程。因此，在對半固態(tài)漿料微觀建模是今后研究的關(guān)鍵，這部分的研究還有很多工作要做。隨著數(shù)值模擬技術(shù)的飛速發(fā)展，基于數(shù)值模擬建立穩(wěn)定的數(shù)據(jù)分析，對工業(yè)的生產(chǎn)指導(dǎo)作用愈來愈大。特別是大數(shù)據(jù)技術(shù)的廣泛應(yīng)用、PYTHON等新語言、三維建模軟件的升級等，能夠?qū)θS模型和模擬分析過程進(jìn)行優(yōu)化，為半固態(tài)流變成形數(shù)值模擬提供有效支撐。

作者：

裴桓偉 張樹國 劉旭波
南昌航空大學(xué)
江西省金屬材料微結(jié)構(gòu)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

裴桓偉 張樹國
江西省金屬材料微結(jié)構(gòu)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

張樹國 郭洪民 楊湘杰
江西省高性能精確成形重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

本文來自:《特種鑄造及有色合金》雜志2021年第41卷第10期