7050鋁合金施加超聲鑄造的數(shù)值模擬

張立華，朱 彪

（中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙410083）

0 引 言

7050鋁合金是目前航空制造業(yè)廣泛采用的一種結(jié)構(gòu)材料，其大規(guī)格鑄錠內(nèi)部組織經(jīng)常會(huì)不均勻，且晶粒尺寸也不易控制。如何細(xì)化晶粒、獲得細(xì)小均勻的等軸晶組織，減少各種鑄造缺陷一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的問(wèn)題。研究表明，通過(guò)引入超聲場(chǎng)調(diào)控鑄錠凝固過(guò)程，可以有效細(xì)化晶粒、改善凝固組織［1］，超聲在金屬熔體中的空化效應(yīng)是促進(jìn)形核及晶粒細(xì)化的主要原因。超聲空化是指在強(qiáng)超聲波作用下，熔體中的微小氣泡核在聲的稀疏相和壓縮相交替作用下經(jīng)歷膨脹、壓縮、振蕩繼而最終崩潰，瞬間在極有限的體積內(nèi)產(chǎn)生很大的溫度梯度和壓力梯度。目前超聲鑄造的研究工作大多集中在理論分析以及試驗(yàn)研究上，而對(duì)超聲作用于金屬熔體產(chǎn)生宏觀(guān)空化效應(yīng)的數(shù)值模擬卻鮮有報(bào)道。

在金屬熔體中，由于高溫、內(nèi)部不可視以及高強(qiáng)度的化學(xué)變化，目前還沒(méi)有有效定量測(cè)試超聲空化強(qiáng)度和范圍的方法，導(dǎo)致模擬研究與理論分析很難取得理想的效果。為此，作者采用流體力學(xué)軟件Fluent及其中的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)模擬了鋁合金熔體中超聲空化的發(fā)生、發(fā)展以及對(duì)其凝固過(guò)程的影響，并結(jié)合超聲鑄造試驗(yàn)分析了其細(xì)晶機(jī)理。

1 超聲空化的模擬

1.1 計(jì)算模型及邊界條件

模擬對(duì)象為石墨坩堝中700℃的7050鋁合金熔體。插入超聲變幅桿后坩堝內(nèi)鋁合金熔體模型網(wǎng)格如圖1所示，坩堝壁面及變幅桿端面均采用無(wú)滑移邊界條件，在近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)；自由液面為壓力入口，變幅桿端面為動(dòng)邊界。根據(jù)超聲波發(fā)生器的工作參數(shù)，設(shè)置動(dòng)邊界的位移x方程：

求導(dǎo)可得速度v方程：

式中：α為超聲變幅桿端面的振幅；f為變幅桿振動(dòng)的頻率，f＝20kHz；t為超聲振動(dòng)的時(shí)間。

將式（2）結(jié)合超聲參數(shù)通過(guò)編寫(xiě)UDF程序加入到Fluent動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置選項(xiàng)中，加入空化模型并采用Mixture多相流模型，F(xiàn)luent所采用的空化模型為Singhal等所發(fā)展的“完全空化模型”［2］。仿真模擬加入超聲4個(gè)周期（2.0×10－4s）內(nèi)，熔體內(nèi)空化的發(fā)生、發(fā)展。迭代時(shí)間步為1.0×10－6s，材料物性參數(shù)：7050鋁合金熔體的密度為2 450kg·m－3，表面張力為0.6N·m－1，700℃下鋁液的動(dòng)力黏度系數(shù)為1.1×10－3Pa·s，汽化壓力為0Pa；根據(jù)HYSCANⅡ型測(cè)氫儀測(cè)出7050鋁熔體中氫氣的含量為6mL·kg－1，換算出其中氫氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.4×10－7，添加至不可冷凝氣體選項(xiàng)。

圖1 模型的幾何結(jié)構(gòu)Fig.1 Geometry for the model

由圖2可見(jiàn)，利用激光測(cè)振儀測(cè)得在超聲功率為550，850，1 000W時(shí)，超聲變幅桿端面的振幅分別為10，15，18μm。

1.2 數(shù)值模擬結(jié)果

在變幅桿端面中心附近取O點(diǎn)，以便于觀(guān)察壓力與氣泡體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化，該點(diǎn)與中心軸和變幅桿端面的垂直距離均為1mm，如圖1所示。

由圖3（a）可見(jiàn)，O點(diǎn)在不同功率超聲作用下的平均氣泡體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化類(lèi)似正弦波波動(dòng)。熔體中氫氣的初始體積分?jǐn)?shù)為0.18%，在第12時(shí)間步（1.2×10－5s）附近，三條曲線(xiàn)有共同的交點(diǎn)，該點(diǎn)氫氣的體積分?jǐn)?shù)正好為0.18%，表明在第12時(shí)間步前，由于正壓作用，熔體中沒(méi)有發(fā)生空化；在第12時(shí)間步后O點(diǎn)由于負(fù)壓作用開(kāi)始發(fā)生空化，其氣泡體積分?jǐn)?shù)開(kāi)始急劇增大。從不同超聲功率下氣泡體積分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì)來(lái)看，可知在同一時(shí)間步時(shí)，較大功率下具有較高的氣泡體積分?jǐn)?shù)，因而具有較高的空化強(qiáng)度。從相鄰兩周期氣泡體積變化情況來(lái)看，在功率為850，1 000W的超聲作用下，后一周期氣泡體積分?jǐn)?shù)比前一周期的有所增大，這表明氣泡在振蕩過(guò)程中逐漸長(zhǎng)大。結(jié)合圖3（b）壓力變化曲線(xiàn)可知，在功率為500W時(shí)，由于每個(gè)周期都受正負(fù)壓的交替作用，氣泡體積分?jǐn)?shù)在多個(gè)聲波周期內(nèi)持續(xù)振蕩，呈穩(wěn)態(tài)空化狀態(tài)。

由圖4可見(jiàn)，隨超聲施振時(shí)間的延長(zhǎng)，熔體中空化區(qū)域不斷變大，而且逐步向變幅桿端面中心集中，空化強(qiáng)度相差不大。

由圖5可以看出，不同超聲功率作用下熔體中的空化區(qū)域相差不大，越靠近變幅桿端面氣泡的體積分?jǐn)?shù)越大，這與聲波在流體傳播過(guò)程中的衰減有關(guān)［3］；在功率為550，850，1 000W 的超聲作用下，熔體中氣泡體積分?jǐn)?shù)的最大值分別為0.7%，1.86%，3.52%，其空化強(qiáng)度相差較大，且超聲功率越大空化強(qiáng)度越高。

由圖6可見(jiàn)，迭代第125步（1.25×10－4s）時(shí)不同超聲功率下熔體的壓力分布大致以變幅桿為中心向周?chē)垠w中輻射，呈球形。結(jié)合圖5可以發(fā)現(xiàn)，低壓高氣泡體積分?jǐn)?shù)基本都分布在變幅桿端面正下方的一定區(qū)域內(nèi)。對(duì)比圖6明顯可以看出壓力分布有較大的不同，圖6（a）的壓力分布表現(xiàn)出明顯的類(lèi)似周期性變化，而圖6（b），（c）則呈現(xiàn)出由負(fù)壓到正壓、由低壓到高壓的單向變化。這是由于在較低功率的超聲作用下，熔體中產(chǎn)生了較弱的空化強(qiáng)度和較小的空化區(qū)域，因而聲壓相對(duì)衰減較?。环粗谳^高功率的超聲作用下，變幅桿端面下出現(xiàn)了較大范圍的空化區(qū)域，空化泡的膨脹、壓縮、振蕩及對(duì)超聲的散射等吸收了較多的能量。

2 施加超聲鑄造試驗(yàn)

2.1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為7050鋁合金，其化學(xué)成分如表l所示。

將盛有7050鋁合金塊的石墨坩堝置入電阻絲爐中進(jìn)行熔煉，待鋁塊完全融化后，充分?jǐn)嚢枞垠w，并持續(xù)加熱至700℃，保溫約30min后向鋁合金熔體中導(dǎo)入超聲波；超聲波通過(guò)變幅桿施加到熔體中，施加位置為坩堝截面中心深25mm處；待超聲振動(dòng)30min后關(guān)閉電阻絲加熱爐電源，將變幅桿移出熔體，坩堝繼續(xù)置于爐內(nèi)冷卻直至凝固。共做4組試驗(yàn)，超聲的輸出功率分別為0，550，850，1 000W。超聲鑄造試驗(yàn)裝置如圖7所示。

在坩堝中心處取試樣進(jìn)行研磨后用化學(xué)拋光液拋光研磨表面，最后用酸液（由1mLHNO3、1mLHCl，2mLHF和96mL水組成）腐蝕，用Leica型臺(tái)式光學(xué)顯微鏡觀(guān)察凝固組織形貌。

表1 試驗(yàn)用7050鋁合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of tested 7050aluminum alloy（mass）%

圖7 超聲鑄造試驗(yàn)裝置示意Fig.7 Schematic diagram of experiment apparatus for ultrasonic casting

2.2 顯微組織

由圖8可見(jiàn)，未施加超聲時(shí)，鑄態(tài)7050鋁合金主要呈片狀，且組織不均勻，晶粒比較粗大；施加超聲后的組織均有所細(xì)化，且形核率明顯增大；隨著超聲功率的增大，晶粒尺寸逐漸減小，晶核數(shù)量逐漸增多；而且在超聲波的振動(dòng)下，組織更為均勻，晶粒更接近于等軸晶。

3 超聲細(xì)晶機(jī)理

超聲波在鋁合金熔體中傳播時(shí)，熔體分子受到交變的聲壓作用。首先，負(fù)相聲壓抽拉液體形成空化泡或空穴，接著正相聲壓壓縮氣泡、氣穴，使之以極高的速度閉合、崩潰，氣泡崩潰時(shí)形成了很多微氣泡，再次溶解于熔體中，并繼續(xù)長(zhǎng)大、崩潰，從而保證空化現(xiàn)象的持續(xù)進(jìn)行。氣泡的破滅蒸發(fā)從其周?chē)鷰ё吡舜罅康臒?，因而使氣泡附近的熔體產(chǎn)生瞬時(shí)過(guò)冷，且過(guò)冷度比正常結(jié)晶情況下大很多，這樣就在鋁合金熔體中形成了大量晶核，顯著提高了形核率；同時(shí)，氣泡的崩潰產(chǎn)生了高達(dá)104K和104MPa的瞬時(shí)高溫、高壓沖擊波［1］，使初生的粗大晶體和正在長(zhǎng)大的枝晶破碎，其中一部分將繼續(xù)重熔，而其余的則能夠成為有效的形核質(zhì)點(diǎn)，在聲流的攪拌作用下，它們被均勻地彌散于熔體中，增加了外來(lái)質(zhì)點(diǎn)，提高了形核率。此外，在超聲空化沖擊波和聲流的攪拌作用下，質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散速率增大，從而使熔體凝固均勻化，結(jié)晶前沿成分過(guò)冷度減小。由于熔體的液相線(xiàn)溫度隨其成分變化，小的成分過(guò)冷會(huì)使熔體的液相線(xiàn)溫度上升，凝固溫度升高，所以熔體的有效過(guò)冷度會(huì)隨之增加，提高了形核率。

隨超聲功率增大，鑄錠的晶粒尺寸明顯減小，組織更為均勻。這是由于超聲功率較小時(shí)，空化效應(yīng)不是很強(qiáng)烈，一些區(qū)域還存在未完全打斷的二次枝晶，故形成的等軸晶粒仍比較粗大；隨著超聲功率的增大，晶粒進(jìn)一步細(xì)化，這主要是因?yàn)槁晧旱脑龃笫箍栈菖R界半徑Rmin減小，空化現(xiàn)象易于發(fā)生，空化效應(yīng)明顯；而且聲壓增大，在鋁合金熔體中形成的聲壓梯度也隨之增大，聲流效應(yīng)強(qiáng)烈［4］。

4 結(jié) 論

（1）采用流體力學(xué)軟件可進(jìn)行超聲場(chǎng)作用下坩堝內(nèi)7050鋁合金熔體壓力場(chǎng)、氣泡體積分?jǐn)?shù)分布的模擬；隨超聲施加時(shí)間的延長(zhǎng)，熔體中空化區(qū)域不斷變大，且逐步向變幅桿端面中心集中；施加的超聲功率越大其空化強(qiáng)度越高，且越靠近變幅桿端面，其空化效應(yīng)越明顯。

（2）隨著超聲功率增大，熔體的形核率增加，鑄錠的晶粒尺寸顯著減??；摸擬結(jié)果得到了試驗(yàn)驗(yàn)證。

［1］ESKIN G I.Ultrasonic treatment of light alloy melts［M］.Moscow：Gordon and Breach Science Pubulishers，1998.

［2］SINGHAL A K，ATHAVALE A M，LI Hui－ying，et al.Mathematical basis and validation of the full cavitation model［J］.Journal of Fluids Engineering，2002，9：1－8.

［3］馮若.超聲手冊(cè)［M］.南京：南京大學(xué)出版社，1999.

［4］謝恩華，李曉謙.超聲波熔體處理過(guò)程中的聲流現(xiàn)象［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31（11）：1425－1429.