超聲波作用對鋁合金鑄錠微觀組織的影響

蘇思超,徐 戎

(湖南文理學院 機械工程學院, 湖南 常德 415000)

1 前 言

不同尺寸規格的鋁合金鑄錠存在空間尺度、鑄造環境上的非均勻特征,即凝固區域的溫度場、流場等物理場分布有差異,這容易導致鑄錠內部應力、凝固組織分布不均,制約了高強度鋁合金鑄錠性能的進一步提升[1-4]。鑄造過程中常應用超聲波輔助處理技術,能夠有效控制鑄件微觀組織,從而獲得使用性能優良的鑄件[5-7]。但是目前在凝固結晶過程中對金屬鑄錠微觀組織的檢測是非常困難的,因此應用計算機模擬技術來預測鑄錠在凝固過程中的組織演變成為重要的有效工具。通過對微觀組織有效模擬,優化工藝參數,從而獲得組織理想、性能更佳的最終產品。

ProCAST仿真軟件中的CAFE(celluar automation and finite element)模塊,采用了元胞自動機法(cellular automation,CA),其考慮到金屬在凝固過程中晶粒形核的隨機性,又考慮了晶粒長大過程中的確定性,從而能夠更有效地接近實際工業生產。若同時又耦合有限差分法(finite element,FE)[8-10],在忽略流場對形核影響的情況下,為模擬在超聲波作用下的鋁合金微觀組織形成提供了有利條件。本研究對比分析施加超聲與不施加超聲作用兩種實驗條件下鑄錠微觀組織的差別,為工業實踐應用提供理論指導。

2 實 驗

2.1 實驗設備

在實驗中使用的超聲振動系統由超聲波發生器、超聲波輻射桿以及其他輔助設備組成。超聲波振動系統輸出功率可達1 000 W,輸出頻率在19.5～20.5 kHz范圍內可調。對于小坩堝實驗還包括：溫度控制記錄儀、電阻加熱爐、熱電偶、金相顯微鏡等輔助設備。

對于2A14鋁合金φ830 mm鑄造實驗還包括如下實驗設備：2噸～20噸半連續鑄造平臺,溫度控制系統,冷卻系統,鑄錠牽引系統,成分檢測設備等。

2.2 實驗過程

2.2.1小坩堝實驗 小坩堝實驗材料選擇純鋁,因為純鋁生成的微觀組織粗大,有利于對比分析。稱取8.4 kg純鋁放置在直徑×高度為290 mm×335 mm的坩堝中,接著把坩堝放置在電阻爐中加熱,設置溫度為750 ℃,待鋁料全部熔化后攪拌均勻,在700 ℃保溫。然后關掉電阻爐電源,鋁熔體在電阻爐中緩慢冷卻。施加超聲波處理的對比實驗則是在鋁熔體在700 ℃保溫時,攪拌均勻后插入超聲波輻射桿,插入深度70 mm,施加超聲波處理10 min,然后移走超聲波振動系統,讓鋁熔體隨爐緩慢冷卻,最后獲得240 mm×220 mm的鑄錠。實驗示意圖見圖1。

圖1 小坩堝實驗示意圖 (a)無超聲處理;(b)超聲處理

2.2.2大鑄錠實驗 按照2A14鋁合金的成分配比,考慮合金元素的化學活潑性,一般可采取二種方式配置合金成分：一種是把純鋁和二元中間合金按照比例進行配制,另一種方式是把純鋁和所需合金元素直接按成分進行配制,本研究采用兩種方式結合的方式進行配制。然后在電阻爐中進行熔煉,待鋁合金材料完全熔化之后進行電磁攪拌、扒渣等處理,保證熔液純潔度,待鋁液成分均勻后,從溶液中心垂直插入超聲輻射桿對鋁液進行超聲處理。同時清理并預熱澆鑄通道、結晶器等設備,達到澆鑄條件后,控制系統將會把爐口打開,鋁熔液沿澆鑄通道流入結晶器,開啟冷卻水系統,鋁熔液充滿結晶器之后,由于結晶器溫度低,則剛流入到結晶器中的鋁液將會快速冷卻,在結晶器中形成熔池,待熔池穩定之后開啟引錠系統開始半連續鑄造,實驗過程如圖2所示。鋁液澆注溫度為700 ℃,超聲輻射桿插入深度為170 mm,最后得到直徑830 mm的鑄錠。

圖2 2A14鋁合金大鑄錠超聲輔助鑄造工藝

3.1 形核模型

應用CAFE(celluar automaton and finite element)[7-9]后處理功能模塊,對鋁合金的晶粒尺寸進行分析,將凝固過程中晶粒組織的特征轉換為晶粒密度來進行計算,采用Rappaz等提出的高斯連續形核模型,模擬晶粒的形核過程。當在某一過冷度下時,晶粒的形核密度可用以下公式來進行描述[11]：

(1)

式中：ΔT表示形核過冷度,n表示晶粒密度,nmax表示高斯分布晶核最大密度,ΔTσ表示高斯分布標準偏差,ΔTn表示高斯分布平均過冷度。將式(1)進行變換后,得到以下公式：

(2)

ProCAST軟件基于強大的有限元分析能力,被應用在不同的鑄造工藝上,但是ProCAST無法模擬加載超聲波振動處理后,超聲波對鑄錠不同區域微觀組織的影響,因此在模擬過程中需要進行一些假設與簡化處理： ①忽略超聲波在熔液中發生的衰減,假定超聲波對整個鋁合金鑄錠的均有作用; ②簡化超聲波聲流效應對已經形核微觀組織原始位置的遷移作用,即忽視對鋁熔體的體積形核率和面形核率的攪動作用。

3.2 生長模型

在鋁合金凝固過程中枝晶尖端的形核過冷度ΔT可以由以下公式表示[8]：

ΔT=ΔTc+ΔTt+ΔTk+ΔTr

(3)

式中：ΔTc表示成分過冷度,ΔTt表示由熱擴散引起的過冷度,ΔTk表示動力學過冷度,ΔTr表示在固液界面曲率引起的過冷度。式(3)中過冷度主要取決于成分過冷度,而后3項相對于成分過冷度來說都很小,因此常忽略不計。

應用Kurz-Giovanola-Trivedi(KGT)模型(KGT模型),來模擬金屬凝固過程中枝晶尖端的生長動力和生長方向,SEO S M等[12]采用等效二元相圖的方法提出擴展的KGT模型來模擬多元合金。采用三次多項式表示枝晶生長速度和過冷度之間的關系如下：

v生=a2ΔT2+a3ΔT3

(4)

式中：a2、a3為生長動力學系數,這兩個參數可以在ProCAST軟件中通過合金比例計算獲得,由式(4)可以獲得枝晶尖端的生長速率。

4 模擬結果與實驗驗證

4.1 小鑄錠模擬結果與試驗結果的對比分析

以純鋁為研究對象,按以下步驟進行結果分析：(1)首先建立與最大外徑×高度為290 mm×335 mm的石墨坩堝的仿真分析模型;(2)對鑄錠模型進行面網格、體網格劃分,并設置重力加速度方向即引錠方向;(3)加載CAFE計算模塊,選擇純鋁材料獲得式(4)中的a2、a3系數;(4)設置邊界條件,本研究中隨爐冷卻的邊界條件的熱交換系數小,設定為50 W·m-2·K-1,CAFE中形核參數設置如表1所示;(5)設置計算區域,然后進行分析計算。

表1 CAFE中的形核參數

ProCAST軟件分析發現未施加超聲處理的鑄錠,在鑄錠的1/2縱截面形成粗大的晶粒組織,肉眼清晰可見,如圖4中所示,與圖3(a)中實驗獲得的低倍組織非常接近。

圖3 (a)未施加超聲和(b)施加超聲的鋁錠縱截面低倍組織

圖4 (a)未施加超聲處理的鑄錠縱截面低倍組織3D仿真云圖;(b)縱截面的低倍組織云圖

圖3是從實驗純鋁鑄錠中間縱截面上線切割獲得的20 mm厚度鋁塊,然后研磨鋁塊截面達到足夠光滑,并用調配好的腐蝕試劑對其進行腐蝕,獲得圖示組織照片,其中圖3(a)表示未施加超聲波處理,圖3(b)表示施加超聲處理,圖中紅色方框表示超聲波輻射桿插入位置,插入深度為170 mm。

從施加了超聲處理鑄錠(圖5)的仿真結果,可以發現在鑄錠縱截面上形成了均勻的晶粒組織,明顯要好于未施加超聲處理鑄錠的仿真結果(圖4),而且施加超聲處理鑄錠的仿真結果與圖3(b)的實驗結果也非常接近。但是在Procast軟件中超聲波作用在整個鋁合金鑄錠上,沒有考慮移出超聲波輻射桿后的情況,因此與圖3(b)中鑄錠插入超聲波輻射桿位置的實驗結果稍有不同,即在實驗中移出超聲波輻射桿以后鑄錠上方又形成了粗大的柱狀晶。但是在鑄錠下方超聲波處理后的區域形成了細小均勻的等軸晶組織,晶粒細化效果明顯。

圖5 (a)施加超聲處理的鑄錠縱截面低倍組織3D仿真云圖;(b)縱截面的低倍組織云圖

4.2 2A14大鑄錠仿真分析與實驗驗證

在ProCAST軟件中,此處以2A14鋁合金大鑄錠為研究對象,設置流程與小坩堝實驗類似,區別在于需要依據表2所示的2A14材料配比輸入到軟件當中,并獲得式(4)中的a2、a3系數。邊界條件與小坩堝實驗也不同,2A14鋁合金φ830 mm鑄造過程中采用水幕冷卻,邊界條件的熱交換系數設置為10 000 W·m-2·K-1,結晶器熱交換系數設置為1 000～3 000 W·m-2·K-1,熱頂的熱交換系數很小可以忽略不計,設置CAFE參數如表3所示。設置較小的計算區域有利于快速獲得計算結果,并設置CAFE模型中計算參數,然后進行分析計算。

表2 2A14鋁合金成分

表3 CAFE中的形核參數

圖6為2A14鋁合金的金相組織和仿真云圖,未施加超聲的鑄錠心部組織粗大,無論是實驗獲得的樣品分析還是仿真分析都得到了類似的結果;而施加超聲處理后晶粒組織得到細化,邊部的金相組織和仿真分析結果也得到類似結論。

圖6 2A14鋁合金的金相組織圖與仿真分析云圖

具體來說,未施加超聲處理的鑄錠心部平均晶粒尺寸約為320 μm,而施加超聲處理的心部平均晶粒尺寸為260 μm,晶粒細化程度約為18.7%。未施加超聲處理的鑄錠邊部平均晶粒尺寸約為200 μm,而施加超聲處理的邊部平均晶粒尺寸為180 μm,晶粒細化程度約為10%。無論施加超聲與否,邊部的晶粒組織在水冷的條件下快速冷卻,晶粒組織均要小于心部。施加超聲的合金金相組織整體上比未施加超聲處理的更為細小均勻。

圖7為2A14鋁合金在掃描電子顯微鏡下的形貌,從圖中可以看出隆起的為鋁合金晶粒組織,在晶粒與晶粒之間容易形成共晶組織。形成的共晶組織主要集中在晶粒之間,同時晶粒形貌接近球狀。因此可以把等軸晶視為球形來加以假設,而施加超聲處理的鑄錠的晶粒更小,晶粒組織更致密,晶粒之間間隙小,越不容易造成共晶組織的堆積,鑄錠的性能也更優。

圖7 2A14鋁合金組織的SEM圖像：晶粒與共晶組織

5 結 論

1．采用純鋁在小坩堝中對熔體進行超聲處理實驗,發現經超聲處理的小鑄錠在其縱截面的微觀組織得到很好細化,同時通過仿真分析也得到類似規律,實驗與仿真結果吻合較好,說明對純鋁熔體施加超聲處理在小坩堝中作用效果很好,為開展大型鑄錠實驗提供了很好的理論基礎。

2．對2A14鋁合金φ830 mm大鑄錠熔體施加超聲處理,實驗結果發現,未施加超聲處理的鑄錠心部的平均晶粒尺寸約為320 μm,而施加超聲處理的心部平均晶粒尺寸為260 μm,晶粒細化程度約為18.7%。

未施加超聲處理的鋁合金錠邊部的平均晶粒尺寸約為200 μm,而施加超聲處理后的平均晶粒尺寸為180 μm,邊部晶粒細化程度約為10%。同時進行的仿真分析結果也得到類似的規律。