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基于数值模拟挡水板对7055铝合金铸造工艺影响

2021-02-23马国强张祝珲于长富

有色金属加工 2021年1期
关键词:应力场温度场铝合金

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。

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