Mg-Gd-Y-Zr合金凝固組織特征參數(shù)模擬及在航天構(gòu)件上的應(yīng)用

王旭陽(yáng)，趙雪婷，袁 勇，肖 旅，王先飛，李中權(quán)，韓志強(qiáng)

(1.清華大學(xué) 材料學(xué)院，北京 100084； 2.清華大學(xué) 先進(jìn)成形制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；3.上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600)

0 引言

鎂合金作為一種重要的輕金屬材料，具有密度小、比剛度大、易于切削加工等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域中有著重要的應(yīng)用[1-2]。其中，Mg-Gd-Y-Zr合金因在高溫環(huán)境下具有良好的抗蠕變性和耐腐蝕性而被用于制造重要的航天裝備[3-4]，如艙體結(jié)構(gòu)件。然而，這類(lèi)鑄件形狀復(fù)雜、壁厚不均勻，在實(shí)際生產(chǎn)中鑄件不同部位的冷卻速率差異較大，給組織性能的控制帶來(lái)挑戰(zhàn)。很多學(xué)者針對(duì)冷卻速率對(duì)Mg-Gd-Y-Zr合金凝固組織(尤其是晶粒尺寸和第二相體積分?jǐn)?shù))的影響開(kāi)展了較深入的研究[5-6]。ZHOU等[7]研究發(fā)現(xiàn)，在17.4～253.5 K/s的冷卻速率范圍內(nèi)，隨著冷卻速率的提高，Mg-Gd-Y-Zr合金的平均晶粒尺寸減小，第二相體積分?jǐn)?shù)下降，且合金的微觀偏析程度減小。除冷卻速率外，Zr元素作為影響晶粒尺寸的重要因素也引起了許多學(xué)者的關(guān)注[8]。例如，JIANG等[9]研究了Zr含量對(duì)砂型鑄造Mg-Gd-Y-Zr合金的微觀組織、拉伸性能和疲勞行為的影響。研究結(jié)果表明：當(dāng)Zr含量從0.3%增加到0.5%時(shí)，晶粒尺寸減小，且相較于疲勞性能，Zr含量對(duì)合金拉伸性能的影響更為顯著。彭卓凱等[10]提出Zr含量的提高可有效促進(jìn)異質(zhì)形核，增大形核密度，實(shí)現(xiàn)組織晶粒的細(xì)化。然而，這些研究更多關(guān)注的是冷卻速率和Zr含量對(duì)Mg-Gd-Y-Zr合金微觀組織特征的定性影響，針對(duì)航天實(shí)際用特定成分合金的定量關(guān)系的研究還較少。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，鑄造過(guò)程宏微觀計(jì)算模擬的研究和應(yīng)用得到迅速發(fā)展。ProCAST?作為目前鑄造過(guò)程宏觀模擬的主要商用軟件之一，被應(yīng)用于凝固過(guò)程模擬和宏觀缺陷預(yù)測(cè)[11-14]。如LI等[15]基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，利用ProCAST?軟件模擬WE54合金的凝固過(guò)程，并確定了WE54合金砂型鑄造的Niyama判據(jù)值，以此預(yù)測(cè)凝固過(guò)程中WE54合金的縮松縮孔缺陷。目前，很多研究關(guān)注流場(chǎng)、溫度場(chǎng)的模擬，以及宏觀缺陷的預(yù)測(cè)。工程實(shí)際中，除缺陷的預(yù)測(cè)外，組織特征(如晶粒尺寸和第二相體積分?jǐn)?shù))的預(yù)測(cè)也非常重要。對(duì)于Mg-Gd-Y-Zr合金而言，冷卻速率與Zr含量對(duì)晶粒尺寸和第二相體積分?jǐn)?shù)有重要影響。如果能確定凝固組織特征參數(shù)與工藝條件之間的定量關(guān)系，并將其與宏觀溫度場(chǎng)模擬結(jié)果相結(jié)合，則能有效預(yù)測(cè)構(gòu)件凝固組織特征參數(shù)的分布，這對(duì)工藝設(shè)計(jì)具有重要意義。

本研究中，設(shè)計(jì)澆鑄Mg-Gd-Y-Zr合金階梯形鑄件，并采用熱電偶測(cè)量凝固過(guò)程中階梯形鑄件不同厚度處的溫度變化。通過(guò)觀察不同冷卻速率下合金的凝固組織，確定凝固組織中晶粒尺寸和第二相體積分?jǐn)?shù)與冷卻速率的定量關(guān)系。采用ProCAST?軟件模擬典型航天構(gòu)件的凝固過(guò)程，獲得構(gòu)件不同部位的冷卻速率。利用實(shí)驗(yàn)獲得的定量關(guān)系，模擬典型航天構(gòu)件上晶粒尺寸和第二相體積分?jǐn)?shù)的分布。

1 研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

通過(guò)熔煉純鎂錠(99.95%)和中間合金(Mg-25Gd，Mg-25Y，Mg-30Zr)獲得成分如表1所示的Mg-Gd-Y-Zr合金。考慮典型Mg-Gd-Y-Zr合金鑄件的主要壁厚范圍，澆鑄如圖1所示的5級(jí)階梯形鑄件。通過(guò)布置于鑄件中不同位置的熱電偶記錄澆鑄過(guò)程中相應(yīng)位置的溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，獲得了不同位置的冷卻速率。使用線切割方法在每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)位置附近選取邊長(zhǎng)為6 mm的立方塊樣品，用于凝固組織特征觀察。其中，鑄態(tài)樣品經(jīng)混合溶液處理后，可在金相顯微鏡下觀察到第二相分布和大小，通過(guò)圖像處理軟件可對(duì)金相照片中的第二相體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。鑄態(tài)組織的金相照片中晶界不明顯，不利于統(tǒng)計(jì)合金的晶粒尺寸。經(jīng)文獻(xiàn)[16]調(diào)研可知，Mg-Gd-Y-Zr合金在510 ℃下進(jìn)行固溶，鑄態(tài)組織中非均勻的溶質(zhì)溶解于初生相中，且晶粒不會(huì)明顯長(zhǎng)大，經(jīng)溶液腐蝕后，晶界會(huì)比較明顯，有利于統(tǒng)計(jì)晶粒尺寸。因此，本研究采用了在500 ℃下保溫6 h的固溶方案。

表1 Mg-Gd-Y-Zr合金成分

圖1 階梯形鑄件的示意圖(mm)Fig.1 Schematic diagram of casting with five steps (mm)

1.2 模擬方法

圖2 典型構(gòu)件的數(shù)模示意圖Fig.2 Geometry model of typical casting

為實(shí)現(xiàn)典型構(gòu)件鑄造過(guò)程的數(shù)值模擬和凝固組織特征預(yù)測(cè)，需要對(duì)典型構(gòu)件進(jìn)行數(shù)模修整、網(wǎng)格優(yōu)化、邊界條件設(shè)定、數(shù)據(jù)處理等。使用UG?軟件補(bǔ)充構(gòu)建砂型數(shù)模，并對(duì)數(shù)模內(nèi)部存在的不合理幾何元素進(jìn)行修改，以提高網(wǎng)格劃分的可行性。圖2為典型構(gòu)件的數(shù)模示意圖。完成數(shù)模構(gòu)建及修整后，進(jìn)行2D網(wǎng)格劃分及檢測(cè)，進(jìn)而生成3D網(wǎng)格。針對(duì)典型構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸分析，鑄件圓筒部分的高厚比超過(guò)35，且平均壁厚不超過(guò)20 mm。進(jìn)行鑄件劃分網(wǎng)格時(shí)需要注意：最薄壁厚處網(wǎng)格層數(shù)不少于3層；不同密度網(wǎng)格的相互融合性；計(jì)算精度與計(jì)算效率的平衡。因此在優(yōu)化時(shí)，首先需要確定主要薄壁厚度，優(yōu)先設(shè)置網(wǎng)格尺寸；其次采用最小尺寸的整數(shù)倍進(jìn)行不同位置的網(wǎng)格劃分，以確保不同尺寸網(wǎng)格的有效連接性；最后擴(kuò)大砂型表面的網(wǎng)格尺寸，以實(shí)現(xiàn)從壁厚表面到砂型表面網(wǎng)格尺寸增大的效果，有效減少小尺寸網(wǎng)格的數(shù)量，縮短計(jì)算時(shí)間。典型構(gòu)件的2D網(wǎng)格劃分和3D網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分結(jié)果Fig.3 Results of mesh generation

設(shè)置初始條件和邊界條件，包括重力大小、重力方向、材料屬性、熱交換邊界、充型條件等，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)充型流動(dòng)和凝固傳熱過(guò)程的模擬。模擬完成后，根據(jù)個(gè)性化需求進(jìn)行結(jié)果的可視化。

2 結(jié)果與討論

2.1 冷卻速率和Zr含量對(duì)晶粒尺寸的影響

對(duì)熱電偶采集到的冷卻曲線中的溫度關(guān)于時(shí)間進(jìn)行求導(dǎo)后，可獲取冷卻速率曲線。結(jié)合Mg-Gd-Y-Zr合金凝固過(guò)程中冷卻速率變化特點(diǎn)，可求解階梯形鑄件內(nèi)不同測(cè)溫點(diǎn)處的冷卻速率。統(tǒng)計(jì)金相照片中10個(gè)隨機(jī)視野的晶粒尺寸并求取平均值，總結(jié)確定Zr含量和冷卻速率對(duì)晶粒尺寸的影響。圖4為合金固溶處理后的金相圖片。結(jié)果表明：隨著冷卻速率的增大，晶粒尺寸減小。當(dāng)冷卻速率相差不大時(shí)，隨著Zr含量增多，晶粒尺寸減小。

圖4 Mg-Gd-Y-0.58Zr合金固溶處理后的微觀組織(冷卻速率：6.7 K/s)Fig.4 Microstructure of Mg-Gd-Y-0.58Zr alloyafter solution treatment (cooling rate: 6.7 K/s)

通過(guò)數(shù)據(jù)擬合，可得不同Zr含量的Mg-Gd-Y-Zr合金的晶粒尺寸與冷卻速率之間的定量關(guān)系為

l=(-18.51ωZr+78.36)exp(-0.03Rc)

(1)

式中：l為晶粒尺寸，單位為μm；ωZr為Zr元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，單位為%；Rc為冷卻速率，單位為K/s。

2.2 冷卻速率對(duì)第二相的影響

Mg-Gd-Y-Zr合金凝固過(guò)程中，隨著溫度的降低，Mg初生相析出，當(dāng)溫度降低至共晶反應(yīng)溫度時(shí)，共晶相析出。共晶中的α-Mg容易依附于初生相，β-Mg24RE5則以第二相的形式分布于鑄態(tài)組織中。前期研究已針對(duì)固溶處理后的金相進(jìn)行第二相的組織觀察，統(tǒng)計(jì)不同冷卻速率條件下的第二相體積分?jǐn)?shù)。結(jié)果表明：當(dāng)冷卻速率從2.6 K/s提高至11.0 K/s時(shí)，第二相體積分?jǐn)?shù)從12.8%降低至4.4%，且第二相更加彌散地分布在晶界上[6]。通過(guò)擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可獲得第二相體積分?jǐn)?shù)與冷卻速率的定量關(guān)系為

f=0.081(Rc)2-2.012 7Rc+16.83

(2)

式中：f為第二相體積分?jǐn)?shù)，單位為%。

2.3 典型構(gòu)件組織特征參數(shù)模擬

參考典型構(gòu)件的生產(chǎn)工藝參數(shù)，以0.5 m/s的入口速度澆注初始溫度為720 ℃的Mg-Gd-Y-Zr合金。設(shè)置樹(shù)脂砂型初始溫度與室溫一致，均為20 ℃，鑄件與砂型的界面換熱系數(shù)設(shè)置為200 W/(m2·K)。通過(guò)調(diào)用低壓鑄造模式進(jìn)行充型過(guò)程的模擬，結(jié)果如圖5所示。

圖5 典型構(gòu)件充型模擬結(jié)果Fig.5 Filling simulation results of typical component

充型過(guò)程總耗時(shí)5.089 7 s。高溫金屬液從立縫進(jìn)入圓筒部分時(shí)出現(xiàn)了局部湍流，隨著充型時(shí)間的增加，當(dāng)液面基本保持一致后，金屬液流動(dòng)平穩(wěn)。在充型過(guò)程中，澆道溫度較高，而鑄件圓筒部分中厚度較小的部分，如小平臺(tái)和筋板位置，溫度下降較快。但直至充型完成時(shí)，鑄件內(nèi)的金屬液溫度均未降至固相線以下。不考慮冷卻速率對(duì)固相線和液相線溫度的影響，冷卻速率為

Rc=(TL-TS)/Δt

(3)

式中：TL和TS分別為液相線溫度和固相線溫度，單位為K；Δt為凝固時(shí)間，單位為s。

將ProCAST?軟件計(jì)算所得的Mg-Gd-Y-Zr合金固液相線溫度代入式(3)，得到如圖6所示的冷卻速率分布。

圖6 冷卻速率分布Fig.6 Distribution of cooling rates

鑄件主要與樹(shù)脂砂進(jìn)行換熱，鑄件整體熱量耗散較慢，冷卻速率較小，最大冷卻速率為0.793 K/s。鑄件圓筒主體的壁厚較為均勻，冷卻速率差異較小，但在圓筒主體中遠(yuǎn)離立縫處仍存在基本呈上下對(duì)稱(chēng)的冷卻速率較大的區(qū)域，這主要是因?yàn)樵搮^(qū)域的鑄件厚度較小，且金屬液從立縫流動(dòng)到該區(qū)域的流程較長(zhǎng)，流動(dòng)阻力較大。此外，位于鑄件圓筒內(nèi)表面處的薄壁筋板和小凸臺(tái)冷卻速率較大，小凸臺(tái)棱角處的冷卻速率為0.793 K/s。將冷卻速率與晶粒尺寸、冷卻速率與第二相體積分?jǐn)?shù)之間的定量關(guān)系同宏觀模擬的溫度場(chǎng)結(jié)果相關(guān)聯(lián)，可以獲得典型構(gòu)件的晶粒尺寸和第二相體積分?jǐn)?shù)的分布狀況，如圖7，8所示。

圖7 晶粒尺寸分布Fig.7 Distributions of grain sizes

圖8 第二相體積分?jǐn)?shù)分布Fig.8 Distributions of volume fractions of secondary phase

鑄件整體的晶粒尺寸范圍為66.035～67.624 μm，其中圓筒部分的冷卻速率大于澆注系統(tǒng)部分，因此其晶粒尺寸較小。由圖7可知：圓筒部分的晶粒尺寸小于67.412 μm。圓筒主體部分靠近立縫處的晶粒尺寸較大，而在基本呈上下對(duì)稱(chēng)的冷卻速率較大的區(qū)域內(nèi)，晶粒尺寸低至66.671 μm以下。圓筒內(nèi)壁處的薄壁小凸臺(tái)厚度較小，與砂型接觸的表面積大，晶粒尺寸最小可達(dá)66.035 μm。鑄件整體的第二相體積分?jǐn)?shù)分布在15.286%～16.830%，澆注系統(tǒng)部分和圓筒部分第二相體積分?jǐn)?shù)相差較小。其中，圓筒部分中靠近澆注系統(tǒng)立縫處的鑄件冷卻速率較小，其第二相體積分?jǐn)?shù)可達(dá)16.418%以上，較大于圓筒主體的其他部分的第二相體積分?jǐn)?shù)。圓筒內(nèi)壁處的小凸臺(tái)冷卻速率分布不均勻，第二相體積分?jǐn)?shù)變化較大，變化范圍約在15.286%～16.006%。

3 結(jié)論

本文通過(guò)澆鑄階梯形鑄件，獲得了不同冷卻速率條件下Mg-Gd-Y-Zr合金樣品。通過(guò)統(tǒng)計(jì)不同冷卻速率條件下樣品的晶粒尺寸和第二相體積分?jǐn)?shù)，確定了Mg-Gd-Y-Zr合金的晶粒尺寸和第二相體積分?jǐn)?shù)與冷卻速率的經(jīng)驗(yàn)性定量關(guān)系。在晶粒尺寸的關(guān)系式中考慮了冷卻速率和Zr含量對(duì)Mg-Gd-Y-Zr合金晶粒尺寸的共同影響。采用ProCAST?軟件模擬了典型航天構(gòu)件充型和凝固過(guò)程的溫度場(chǎng)，計(jì)算出不同部位的冷卻速率，并基于Mg-Gd-Y-Zr合金凝固組織與工藝條件的經(jīng)驗(yàn)性定量關(guān)系，獲得了典型航天構(gòu)件上晶粒尺寸和第二相體積分?jǐn)?shù)的分布，討論了典型構(gòu)件凝固組織特征參數(shù)的分布特點(diǎn)。