超声波作用对铝合金铸锭微观组织的影响

苏思超,徐 戎

(湖南文理学院 机械工程学院, 湖南 常德 415000)

1 前 言

不同尺寸规格的铝合金铸锭存在空间尺度、铸造环境上的非均匀特征,即凝固区域的温度场、流场等物理场分布有差异,这容易导致铸锭内部应力、凝固组织分布不均,制约了高强度铝合金铸锭性能的进一步提升[1-4]。铸造过程中常应用超声波辅助处理技术,能够有效控制铸件微观组织,从而获得使用性能优良的铸件[5-7]。但是目前在凝固结晶过程中对金属铸锭微观组织的检测是非常困难的,因此应用计算机模拟技术来预测铸锭在凝固过程中的组织演变成为重要的有效工具。通过对微观组织有效模拟,优化工艺参数,从而获得组织理想、性能更佳的最终产品。

ProCAST仿真软件中的CAFE(celluar automation and finite element)模块,采用了元胞自动机法(cellular automation,CA),其考虑到金属在凝固过程中晶粒形核的随机性,又考虑了晶粒长大过程中的确定性,从而能够更有效地接近实际工业生产。若同时又耦合有限差分法(finite element,FE)[8-10],在忽略流场对形核影响的情况下,为模拟在超声波作用下的铝合金微观组织形成提供了有利条件。本研究对比分析施加超声与不施加超声作用两种实验条件下铸锭微观组织的差别,为工业实践应用提供理论指导。

2 实 验

2.1 实验设备

在实验中使用的超声振动系统由超声波发生器、超声波辐射杆以及其他辅助设备组成。超声波振动系统输出功率可达1 000 W,输出频率在19.5～20.5 kHz范围内可调。对于小坩埚实验还包括：温度控制记录仪、电阻加热炉、热电偶、金相显微镜等辅助设备。

对于2A14铝合金φ830 mm铸造实验还包括如下实验设备：2吨～20吨半连续铸造平台,温度控制系统,冷却系统,铸锭牵引系统,成分检测设备等。

2.2 实验过程

2.2.1小坩埚实验 小坩埚实验材料选择纯铝,因为纯铝生成的微观组织粗大,有利于对比分析。称取8.4 kg纯铝放置在直径×高度为290 mm×335 mm的坩埚中,接着把坩埚放置在电阻炉中加热,设置温度为750 ℃,待铝料全部熔化后搅拌均匀,在700 ℃保温。然后关掉电阻炉电源,铝熔体在电阻炉中缓慢冷却。施加超声波处理的对比实验则是在铝熔体在700 ℃保温时,搅拌均匀后插入超声波辐射杆,插入深度70 mm,施加超声波处理10 min,然后移走超声波振动系统,让铝熔体随炉缓慢冷却,最后获得240 mm×220 mm的铸锭。实验示意图见图1。

图1 小坩埚实验示意图 (a)无超声处理;(b)超声处理

2.2.2大铸锭实验 按照2A14铝合金的成分配比,考虑合金元素的化学活泼性,一般可采取二种方式配置合金成分：一种是把纯铝和二元中间合金按照比例进行配制,另一种方式是把纯铝和所需合金元素直接按成分进行配制,本研究采用两种方式结合的方式进行配制。然后在电阻炉中进行熔炼,待铝合金材料完全熔化之后进行电磁搅拌、扒渣等处理,保证熔液纯洁度,待铝液成分均匀后,从溶液中心垂直插入超声辐射杆对铝液进行超声处理。同时清理并预热浇铸通道、结晶器等设备,达到浇铸条件后,控制系统将会把炉口打开,铝熔液沿浇铸通道流入结晶器,开启冷却水系统,铝熔液充满结晶器之后,由于结晶器温度低,则刚流入到结晶器中的铝液将会快速冷却,在结晶器中形成熔池,待熔池稳定之后开启引锭系统开始半连续铸造,实验过程如图2所示。铝液浇注温度为700 ℃,超声辐射杆插入深度为170 mm,最后得到直径830 mm的铸锭。

图2 2A14铝合金大铸锭超声辅助铸造工艺

3.1 形核模型

应用CAFE(celluar automaton and finite element)[7-9]后处理功能模块,对铝合金的晶粒尺寸进行分析,将凝固过程中晶粒组织的特征转换为晶粒密度来进行计算,采用Rappaz等提出的高斯连续形核模型,模拟晶粒的形核过程。当在某一过冷度下时,晶粒的形核密度可用以下公式来进行描述[11]：

(1)

式中：ΔT表示形核过冷度,n表示晶粒密度,nmax表示高斯分布晶核最大密度,ΔTσ表示高斯分布标准偏差,ΔTn表示高斯分布平均过冷度。将式(1)进行变换后,得到以下公式：

(2)

ProCAST软件基于强大的有限元分析能力,被应用在不同的铸造工艺上,但是ProCAST无法模拟加载超声波振动处理后,超声波对铸锭不同区域微观组织的影响,因此在模拟过程中需要进行一些假设与简化处理： ①忽略超声波在熔液中发生的衰减,假定超声波对整个铝合金铸锭的均有作用; ②简化超声波声流效应对已经形核微观组织原始位置的迁移作用,即忽视对铝熔体的体积形核率和面形核率的搅动作用。

3.2 生长模型

在铝合金凝固过程中枝晶尖端的形核过冷度ΔT可以由以下公式表示[8]：

ΔT=ΔTc+ΔTt+ΔTk+ΔTr

(3)

式中：ΔTc表示成分过冷度,ΔTt表示由热扩散引起的过冷度,ΔTk表示动力学过冷度,ΔTr表示在固液界面曲率引起的过冷度。式(3)中过冷度主要取决于成分过冷度,而后3项相对于成分过冷度来说都很小,因此常忽略不计。

应用Kurz-Giovanola-Trivedi(KGT)模型(KGT模型),来模拟金属凝固过程中枝晶尖端的生长动力和生长方向,SEO S M等[12]采用等效二元相图的方法提出扩展的KGT模型来模拟多元合金。采用三次多项式表示枝晶生长速度和过冷度之间的关系如下：

v生=a2ΔT2+a3ΔT3

(4)

式中：a2、a3为生长动力学系数,这两个参数可以在ProCAST软件中通过合金比例计算获得,由式(4)可以获得枝晶尖端的生长速率。

4 模拟结果与实验验证

4.1 小铸锭模拟结果与试验结果的对比分析

以纯铝为研究对象,按以下步骤进行结果分析：(1)首先建立与最大外径×高度为290 mm×335 mm的石墨坩埚的仿真分析模型;(2)对铸锭模型进行面网格、体网格划分,并设置重力加速度方向即引锭方向;(3)加载CAFE计算模块,选择纯铝材料获得式(4)中的a2、a3系数;(4)设置边界条件,本研究中随炉冷却的边界条件的热交换系数小,设定为50 W·m-2·K-1,CAFE中形核参数设置如表1所示;(5)设置计算区域,然后进行分析计算。

表1 CAFE中的形核参数

ProCAST软件分析发现未施加超声处理的铸锭,在铸锭的1/2纵截面形成粗大的晶粒组织,肉眼清晰可见,如图4中所示,与图3(a)中实验获得的低倍组织非常接近。

图3 (a)未施加超声和(b)施加超声的铝锭纵截面低倍组织

图4 (a)未施加超声处理的铸锭纵截面低倍组织3D仿真云图;(b)纵截面的低倍组织云图

图3是从实验纯铝铸锭中间纵截面上线切割获得的20 mm厚度铝块,然后研磨铝块截面达到足够光滑,并用调配好的腐蚀试剂对其进行腐蚀,获得图示组织照片,其中图3(a)表示未施加超声波处理,图3(b)表示施加超声处理,图中红色方框表示超声波辐射杆插入位置,插入深度为170 mm。

从施加了超声处理铸锭(图5)的仿真结果,可以发现在铸锭纵截面上形成了均匀的晶粒组织,明显要好于未施加超声处理铸锭的仿真结果(图4),而且施加超声处理铸锭的仿真结果与图3(b)的实验结果也非常接近。但是在Procast软件中超声波作用在整个铝合金铸锭上,没有考虑移出超声波辐射杆后的情况,因此与图3(b)中铸锭插入超声波辐射杆位置的实验结果稍有不同,即在实验中移出超声波辐射杆以后铸锭上方又形成了粗大的柱状晶。但是在铸锭下方超声波处理后的区域形成了细小均匀的等轴晶组织,晶粒细化效果明显。

图5 (a)施加超声处理的铸锭纵截面低倍组织3D仿真云图;(b)纵截面的低倍组织云图

4.2 2A14大铸锭仿真分析与实验验证

在ProCAST软件中,此处以2A14铝合金大铸锭为研究对象,设置流程与小坩埚实验类似,区别在于需要依据表2所示的2A14材料配比输入到软件当中,并获得式(4)中的a2、a3系数。边界条件与小坩埚实验也不同,2A14铝合金φ830 mm铸造过程中采用水幕冷却,边界条件的热交换系数设置为10 000 W·m-2·K-1,结晶器热交换系数设置为1 000～3 000 W·m-2·K-1,热顶的热交换系数很小可以忽略不计,设置CAFE参数如表3所示。设置较小的计算区域有利于快速获得计算结果,并设置CAFE模型中计算参数,然后进行分析计算。

表2 2A14铝合金成分

表3 CAFE中的形核参数

图6为2A14铝合金的金相组织和仿真云图,未施加超声的铸锭心部组织粗大,无论是实验获得的样品分析还是仿真分析都得到了类似的结果;而施加超声处理后晶粒组织得到细化,边部的金相组织和仿真分析结果也得到类似结论。

图6 2A14铝合金的金相组织图与仿真分析云图

具体来说,未施加超声处理的铸锭心部平均晶粒尺寸约为320 μm,而施加超声处理的心部平均晶粒尺寸为260 μm,晶粒细化程度约为18.7%。未施加超声处理的铸锭边部平均晶粒尺寸约为200 μm,而施加超声处理的边部平均晶粒尺寸为180 μm,晶粒细化程度约为10%。无论施加超声与否,边部的晶粒组织在水冷的条件下快速冷却,晶粒组织均要小于心部。施加超声的合金金相组织整体上比未施加超声处理的更为细小均匀。

图7为2A14铝合金在扫描电子显微镜下的形貌,从图中可以看出隆起的为铝合金晶粒组织,在晶粒与晶粒之间容易形成共晶组织。形成的共晶组织主要集中在晶粒之间,同时晶粒形貌接近球状。因此可以把等轴晶视为球形来加以假设,而施加超声处理的铸锭的晶粒更小,晶粒组织更致密,晶粒之间间隙小,越不容易造成共晶组织的堆积,铸锭的性能也更优。

图7 2A14铝合金组织的SEM图像：晶粒与共晶组织

5 结 论

1．采用纯铝在小坩埚中对熔体进行超声处理实验,发现经超声处理的小铸锭在其纵截面的微观组织得到很好细化,同时通过仿真分析也得到类似规律,实验与仿真结果吻合较好,说明对纯铝熔体施加超声处理在小坩埚中作用效果很好,为开展大型铸锭实验提供了很好的理论基础。

2．对2A14铝合金φ830 mm大铸锭熔体施加超声处理,实验结果发现,未施加超声处理的铸锭心部的平均晶粒尺寸约为320 μm,而施加超声处理的心部平均晶粒尺寸为260 μm,晶粒细化程度约为18.7%。

未施加超声处理的铝合金锭边部的平均晶粒尺寸约为200 μm,而施加超声处理后的平均晶粒尺寸为180 μm,边部晶粒细化程度约为10%。同时进行的仿真分析结果也得到类似的规律。