原標題：流變成形數值模擬研究現狀及展望

摘要：合金流變成形的數值模擬可有效預測半固態成形中充型和凝固過程，對壓力場、速度場、固相分布、充填速度、充填溫度、以及成形過程的缺陷等進行分析，對工藝、設計相關的方案優化提供相關的決策幫助。綜述了近年來合金流變成形數值模擬技術的理論基礎，以及國內外流變成形合金的研究進展和未來發展方向。

半固態漿料打破了傳統的鑄造成形模式，能形成球晶，能有效地減少內部缺陷，提高合金的力學性能，并具有較低的成形溫度，模具受到的熱沖擊比較小，使模具的使用壽命得到延長。由于半固態流變成形具有能耗較少、成本較低、質量較優等特點，已逐漸成為半固態成形技術發展與技術推廣的主要趨勢[1~4]。半固態流變成形的過程是一個涉及到多種物理場變化的復雜過程，如溫度場、應力場、流場、速度場等。由于半固態流變成形技術綜合了傳統鑄造、鍛造等加工方法的諸多優點，已成功應用到交通運輸、航空航天等領域輕量化設計生產，具有較好的應用前景。

半固態流變成形過程具有溫度較高，試驗過程內部變化難以觀測，利用計算機模擬技術可實現對半固態成形的充型、凝固等過程的仿真。通過計算機模擬仿真，能有效縮短試驗周期，降低材料消耗、避免實驗危險等。能夠預測出流變成形過程中半固態漿料各物理場量的變化規律和構件可能產生缺陷的位置與類型，對流變成形的最佳工藝參數設計和方案優化具有重要的指導意義。

1、流變成形數值模擬的數學模型建立

半固態金屬的充型過程是不可壓縮的非穩態流動過程，在充型過程中，固相率大于40%時，其流動一般為層流流動，在充填過程中流動控制方程采用能量守恒方程、動量方程、連續性方程、體積函數方程。

2、流變成形數值模擬的研究現狀

SEYBOLDT C等利用AlSi7Mg0.3、AlMgSi1兩種合金的熔點差異，通過磁場加熱使兩種材料的溫度差控制在50 ℃，為進一步使目標構件成形至溫度降低而不發生相變化的狀態，將兩種合金連接部分混合成均勻的半固態，采用試驗與ANSYS數值模擬相結合的方法，運用電磁感應加熱制備漿料的方法，分析兩種不同熔點的固相鋁合金至半固態成形過程中的溫度場分布規律。值得注意的是，由于該計算過程忽略了漿料、模具及環境的導熱過程，其計算的加熱時間和實際的加熱時間存在差異比較明顯。

胡南等以輪轂為研究對象（見圖1），利用ProCAST模擬高固相率（大于40%）下半固態漿料充型過程的流場、溫度場變化探究其規律，并用正交試驗方法（各因素、水平的選取見表1）得出較為理想的工藝參數。發現漿料充型過程中呈層流流動，沒有卷氣和渦流，同時鋁合金輪轂的內部缺陷體積較小， X射線探傷發現輪轂中的缺陷基本被消除。

圖1：鋁合金汽車輪轂結構圖

表1：正交試驗的因素和水平

李道忠等以輪轂為研究對象，用半固態流變擠壓鑄造代替傳統鑄造生產試驗輪轂（見圖2），探究半固態漿料充型過程中的壓射速度、澆注溫度等工藝參數對凝固的影響規律。發現半固態漿料的澆注溫度對鑄件缺陷的影響最大，壓射速度其次，模具預熱溫度最小；最佳工藝參數：壓射速度為0.07m/s、澆注溫度為595℃、模具預熱溫度為225℃。

圖2：半固態漿料的充型過程

鄭鵬等采用Flow-3D軟件對A357鋁合金半固態流變壓鑄連桿件生產過程進行研究，研究了壓射壓力、壓射速度對其充型及凝固過程進行模擬,并通過試驗對其進行驗證。結果發現隨著壓射壓力和壓射速度的增大,半固態漿料的流變行為由層流狀態向紊流狀態轉變；同時隨著壓射壓力、壓射速度的增大，鑄件產生氣孔的幾率也變大。岑堯等采用ProCAST軟件對某四缸柴油機的曲軸進行了模擬，采用正交試驗分析了澆注溫度、壓射速度及模具初始溫度對鑄件力學性能和缺陷的影響，獲得了最優的工藝參數：澆注溫度625℃、壓射速度3.5m/s、模具初始溫度400℃。高倩等采用ProCAST對7075鋁合金及4.5%TiB2/7075材料流變壓鑄輪轂的生產過程進行數值模擬，研究了模具溫度、澆注溫度對鑄件孔隙率的影響。結果表明，流變鑄造充型過程相比液態鑄造更為平穩。輪轂孔隙率隨模具溫度降低而增大，澆注溫度降低最大熱裂指數減小而孔隙率變化較小。高倩等[17]使用ProCAST軟件對蛇形管制備TiB2/7075半固態漿料過程進行了數值模擬，得出了適宜的蛇形管溫度、澆注溫度及蛇形管彎道數量，在蛇形管保溫溫度為400℃，澆注溫度為670℃時能夠獲得半固態漿料。根據數值模擬得到的工藝參數，進行流變擠壓鑄造試驗，能夠獲得良好的球狀晶組織。管仁國等利用分別取輥?靴型腔內和模具型腔內合金為研究對象，建立三維模型，然后用ANSYS軟件對AZ31鎂合金連續流變擠壓成形過程中，對溫度場和流場影響進行數值模擬，探究其影響的規律。為了獲得優良的半固態金屬漿料，確定澆注溫度為710~770 ℃；合金在輥?靴型腔內層流運動時，越靠近工作輥內表面，合金的運動速率越大；為了改善模腔內金屬流動速度的不均勻性，擴展角以45°為宜。RAGAB K A等采用Procast仿真軟件進行A357鋁合金半固態成形技術研究，設計了4種不同結構的控制臂模型，使用ProCast軟件模擬可視化半固態金屬漿料流動成形過程中流場的分布和凝固特點，預測產生湍流和凝固缺陷，提出了優化方案。周冰等利用自行研發的強制對流流變成形設備制作7075鋁合金半固態漿料，觀察半固態漿料在不同攪拌速率下的微觀組織的狀態，并對半固態料漿的制備過程進行數值模擬（見圖3），研究半固態漿料在裝置內的流動特性以及攪拌速度對漿料溫度場和固相率的影響。發現在半固態料漿的制作過程中，強制對流流變成形裝置的內部存在較為復雜的對流狀態，明顯改變了漿料的溫度場分布和固相率；研究發現如果增加對流強度，會有利于減小其過冷度梯度，并改善初生晶粒的分布。

圖3：7075鋁合金熔體在FCR裝置內的流速場分布

DAS P等建立了一個計算流體學(CFD)模型，以研究A356鋁合金半固態漿料在流變壓力壓鑄(RPDC)系統中的充型和凝固過程，用于試驗模具的充型腔對應汽車轉向節的充型腔。通過CFD的理論分析和試驗，確定了用于CFD模擬的流變模型。通過計算機數值模擬得到了充型階段料漿在模腔內的粘度變化、流場、固相分數分布以及模腔內凝固過程中的溫度場和壓力場的分布狀態。該研究的主要目的是確定澆注溫度和注射條件，以獲得理想的組織和力學性能。胡勇等對Mg2Si/AM60材料的半固態漿料為研究對象，對其充型凝固過程進行數值模擬，預測了可能出現的缺陷，并對半固態流變成形過程進行試驗，為流變壓鑄工藝提供數據和技術參考。結果表明：在液相充型過程中，壓力的變化表現較為雜亂無序，沒有規律可循；而在半固態充型過程中，伴隨半固態漿料在方向上的移動，壓力呈現出逐漸減弱的趨勢，產生出十分有利于漿料充型的背壓；而且能夠有效減小，甚至避免液態充型狀態下的縮孔和縮松。試驗結果與模擬結果基本相符，驗證了半固態流變成形的質量優于液態成形。房元明等采用Magmasoft軟件模擬了7075鋁合金汽車連桿鑄件（見圖4）的充型和凝固過程，并對該模擬過程進行優化，在此基礎上還進行了流變壓鑄試驗研究。發現當前已有的模擬仿真模型可以較好地反映出7075合金在不同壓鑄工藝參數下的充型和凝固過程，當壓射速度（見圖5）為3m/s、模具溫度為（見圖6）150 ℃時，可以獲得無缺陷或缺陷可忽略的鑄件。用優化模擬后的工藝參數再次對7075鋁合金連桿件進行流變壓鑄和普通壓鑄試驗，結果發現流變壓鑄件顯微組織表現為顆粒較小且均勻有序，而普通壓鑄件得顯微組織則表現為顆粒較大不均勻無序。

圖4：7075鋁合金連桿壓鑄件

圖5：不同壓射速度鑄件的填充材料分析

圖6：不同模具溫度凝固過程中的溫度梯度分布圖

張瑩等從半固態漿料在外力作用下發生的流動和變形的角度進研究（見圖7和圖8），運用Fluet軟件對AZ3l半固態鎂合金流變鑄軋過程進行了數值模擬，分別對4種不同的粘度模型進行分析，得到了鎂合金鑄軋凝固過程的偏移速率圖、粘度分布圖和溫度場，三者之間相互作用的關系：在一定范圍內，溫度的升高和剪切速率的增大而減小。結果顯示，簡單的等溫穩態粘度模型適用于大范圍剪切速率下的凝固模擬，而此種工況下較理想的黏度模型為Carreua黏度模型。

綜上，經過數十年的發展和探索，半固態流變成形數值模擬隨著計算流體力學軟件有了很大發展。研究者利用商業軟件或基于現有的流變學軟件，自主研發了多種模擬半固態漿料流動的模型，通過計算機模擬半固態流變成形主要研究發展重點方向：①不同壓射壓力、壓射速度，澆注溫度等工藝參數下，半固態漿料充型和凝固過程的影響規律，從而能更好的解決鑄件球狀晶組織、晶粒之間的偏析問題；②模擬半固態流變成形充型過程的流場和溫度場，能夠預測鑄件內部可能產生湍流和出現陷入性缺陷的位置以及嚴重程度；③通過數值模擬，采用不同的黏度模型進行分析，得到合金凝固過程的剪切速率圖、粘度分布圖和溫度場，獲取最佳的粘度模型；④通過數值模擬，可以對鑄造工藝進行方案優化，能夠做出更貼合實際生產要求、直觀呈現多相流動過程中流動行為的模擬結果，為更加精確預測多相流動過程，為實際生產過程提供參考。

3、流變成形數值模擬研究的展望

基于流體力學中建立相關常見的模型有VOF模型、Mixture模型、eulerian模型和Wet Steam模型等。在半固態流變成形中，最常用的模型是VOF模型，可以充分模擬液體的充型過程。數值模擬能夠有效的模擬試驗過程中的充型、氣孔分布、缺陷、漿料在流動過程中的粘度分析、熱應力、溫度場變化等，為大規模生產提供技術服務，還能夠進一步改進壓射速度、澆注溫度等工藝參數。

但是由于半固態流變成形的過程復雜多變，致使相關的研究進行的比較緩慢。目前，半固態流變成形的形成過程還只是處于云圖階段，它不能反映半固態漿料微觀組織的具體流動過程。因此，在對半固態漿料微觀建模是今后研究的關鍵，這部分的研究還有很多工作要做。隨著數值模擬技術的飛速發展，基于數值模擬建立穩定的數據分析，對工業的生產指導作用愈來愈大。特別是大數據技術的廣泛應用、PYTHON等新語言、三維建模軟件的升級等，能夠對三維模型和模擬分析過程進行優化，為半固態流變成形數值模擬提供有效支撐。

作者：

裴桓偉 張樹國 劉旭波
南昌航空大學
江西省金屬材料微結構調控重點實驗室

裴桓偉 張樹國
江西省金屬材料微結構調控重點實驗室

張樹國 郭洪民 楊湘杰
江西省高性能精確成形重點實驗室。

本文來自:《特種鑄造及有色合金》雜志2021年第41卷第10期