基于数值模拟挡水板对7055铝合金铸造工艺影响

马国强，李 洋，杨 路，张祝珲，于长富

(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁 辽阳 111003)

7xxx系合金因其热加工性能好，在不同时效状态下拥有不同的强度、耐腐蚀性和韧性匹配[1-2]，随着航天航空和汽车工业的发展，7xxx系超高强铝合金的应用日益广泛[3-6]。其中，7055铝合金是一种高强高韧铝合金材料，被广泛应用于航空航天领域[7-8]。其铸造难点是裂纹敏感性强，易开裂，导致大规格铸锭的成品率较低，故铸造过程中采用挡水板技术可以降低其裂纹倾向[9-12]。本文通过计算机仿真技术，模拟铸锭的温度场、应力场、枝晶生长间距，分析挡水板对半连续铸造的影响，并确定挡水板的最佳挡水位置。

1 合金成分及物化参数

采用直接水冷半连续铸造制备7055铝合金铸棒，铸棒直径446 mm，铸造长度2000 mm，成分(质量分数，%)为，Si 0.04，Fe 0.08，Cu 2.0，Mg 2.0，Zn 8.2，Ti 0.01，Zr 0.11，其它单个0.05，其它合计0.15。根据合金成分计算，得出密度为2528.23kg/m3，黏度为1.28Pa.S，固相线温度438℃，液相线温度628℃，其中粘度、密度假设为定值。

2 数值模拟

2.1 三维模型及离散化

挡水板半连续铸造是一种7xxx系合金常用的弱冷铸造技术之一[13-15]，根据挡水板铸造特殊性利用C++语言进行开发，采用MILE瞬态模型进行数值分析[4-6]，模型如图1所示。

图1 半连续铸造三维模型及离散化

图中a为铸锭中心部分，b为铸锭1/2R区域、c为铸锭表面，通过点跟踪分析不同工艺参数对a、b、c区域影响。挡水板固定在铸井棚格区域，距铸锭外表面为30mm，挡水板距结晶器下沿的距离h根据数值模拟确定。

2.2 边界条件及工艺参数

挡水板半连续铸造温度场、应力场的边界条件，包括浇口边界、一冷边界、二冷边界、对称边界条件等。工艺参数包括挡水板高度、铸造速度、铸造温度、冷却水流量、一冷强度、二冷强度，见表1。

表1 7055铝合金铸造工艺参数

根据表1中工艺参数分析有无挡水板情况对铸锭的温度场、应力场、枝晶情况的影响，确定最佳的挡水板安装位置。

3 结果与讨论

3.1 挡水板对铸锭的影响

3.1.1 挡水板对温度场的影响

7055铝合金铸锭的温度场如图2所示。从图中可以发现，图2(b)结晶器下端温度梯度低于图2(a)，且在挡水板下端温度场均匀。图2(c)中曲线显示不同监测位置a、b、c相同时间内温度逐渐下降；相同监测位置对比有、无挡水板条件，有挡水板温度梯度低于无挡水板情况。

3.1.2 挡水板对凝固场的影响

7055铝合金铸锭的凝固场如图3所示。图3(b)的液穴深度大于图3(a)，且液-固区间较大。图3(c)中曲线不同监测位置a、b、c相同时间内凝固率逐渐增大，a处最先凝固；在相同监测位置有、无挡水板条件，有挡水板凝固率低于无挡水板情况。故挡水板影响铸锭凝固时间，且液穴较无挡水板情况更深。

图2 7055铝合金铸锭温度场

图3 7055铝合金铸锭凝固场

3.1.3 挡水板对应力场的影响

鉴于7xxx系铝合金具有裂纹敏感性强，易开裂的特点，其在铸造过程中极易出现热裂纹倾向，当出现热裂纹时随着冷却水的继续作用产生冷裂纹，在铸造过程中有明显的裂纹“清脆声”，安装挡水板可以降低二冷过程中冷却水对铸锭的影响，降低裂纹倾向性。图4(a)为无挡水板情况，应力集中在表面、中心处且应力范围更广、裂纹倾向更大；图4(b)为有挡水板情况，应力主要集中于二冷喷水区域铸锭表面，应力分布范围更小，挡水板起到了降低应力分布的作用；根据图3(c)曲线发现，当铸造时间相同条件下，有挡水板条件下a、b区域应力小于无挡水板条件，故在挡水板作用下铸锭的中心应力有明显下降，有利于降低铸锭中心贯穿裂纹的形成。在铸造时间为400s～500s时，c区有挡水板一侧应力略大于无挡水板，超过500s之后无挡水板一侧的应力逐渐增加，而有挡水板一侧则逐渐下降，故挡水板并不能完全降低二冷区域阶段铸锭表面的应力大小，但可以降低铸锭表面应力分布，使得应力分布范围下降。

图4 7055铝合金铸锭应力场

3.2 挡水板距结晶器下沿距离对铸锭的影响

3.2.1 不同距离对温度场影响

不同挡水板距离铸锭温度场如图5所示。从图中可以发现，随着距离的增加，结晶器内铸锭的温度梯度明显上升，纵向裂纹倾向明显增加，故距离不可过大，130mm时温度场梯度明显增加，故距离应控制在60mm～100mm。

图5 不同挡水板距离铸锭温度场

3.2.2 不同高度挡水板对凝固场影响

根据半连续铸造特点，即随着引锭杆的下降铸锭逐渐凝固，图6中红色区域为液相区，而灰色区域为凝固区，液-固混合区域随着挡水板高度的增加逐渐减少，当挡水板高度为60mm时，液-固混合区间最宽。由于固-液相区间增大会导致结晶缓慢，使得晶粒尺寸增大，不利于形成细小的等轴晶，故距离应控制在100mm～130mm。

图6 不同高度挡水板距离铸锭凝固场

3.2.3 不同高度挡水板对应力场影响

根据前者分析，安装挡水板可以降低二冷过程中冷却水对铸锭的影响，降低裂纹倾向性，图7为不同挡水板距离对铸锭应力场的影响。随着距离的增加铸锭的应力场逐渐增大，应力集中由表面向中心扩散，h=100mm～130mm时，应力场分布较广。过分增加距离会使得挡水板作用失效，故不宜过分提高挡水板距离。综合考虑100mm为最佳位置。

图7 不同挡水板距离铸锭应力场

3.3 有、无挡水板对铸锭质量的影响

为验证挡水板模拟结果，进行有、无挡水板铸造实验(铸造工艺条件见表1)，挡水板安装在在距结晶器下沿100mm处。铸锭质量结果如图8所示，有挡水板条件下铸锭中心、表面均无裂纹，无挡水板铸锭中心有裂纹产生。故安装挡水板铸造7xxx系铝合金可以降低铸锭裂纹倾向性，从而生产出质量良好的铸锭。

图8 有、无挡水板条件下铸锭质量的对比

4 结论

(1) 当使用挡水板时，铸锭纵向温度梯度更小、更均匀，降低铸锭内部应力大小及分布且应力分布主要集中在表面，并不能完全降低二冷区域阶段铸锭表面的应力大小，但可降低铸锭表面应力分布，使得应力范围下降。

(2) 随着挡水板距结晶器下沿距离的增加，铸锭的纵向温度梯度逐渐增加，固-液相区间逐渐减少，应力分布由表面逐渐向铸锭内部扩散，综合考虑100mm为最佳位置。

(3) 为验证挡水板模拟结果，进行有、无挡水板铸造实验，得出挡水板安装在在距结晶器下沿100mm处，铸锭中心、表面均无裂纹，无挡水板铸锭中心有裂纹产生。