觸變模鍛Al-7%Si/Al-30%Si合金雙金屬的數(shù)值模擬

黃宏華，楊昭，王光旭，史曉成，賀小龍

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觸變模鍛Al-7%Si/Al-30%Si合金雙金屬的數(shù)值模擬

黃宏華，楊昭，王光旭，史曉成，賀小龍

(中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長沙，410083)

采用有限元軟件DEFORM-3D對半固態(tài)模鍛Al-7%Si/Al-30%Si(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)合金復(fù)合材料過程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究復(fù)合成形過程雙金屬坯料的充型特征，同時探討工藝參數(shù)對復(fù)合成形的影響規(guī)律。模擬結(jié)果表明：單金屬觸變模鍛具有整體性變形特征，雙金屬觸變模鍛充型性能受界面?zhèn)髁τ绊?，其非動模?cè)充型能力比單金屬的弱；隨著下坯料初始溫度提高，界面?zhèn)髁υ鰪?qiáng)，底部充型能力增強(qiáng)；下坯料初始溫度過高，會導(dǎo)致復(fù)合界面偏靠下側(cè)、彎曲程度大、底部出現(xiàn)飛邊；坯料與模具之間的摩擦因素越大，復(fù)合界面彎曲和邊部向上傾斜越嚴(yán)重；Al-7%Si和Al-30%Si合金初始溫度分別為585 ℃和575 ℃，當(dāng)坯料與模具之間摩擦因數(shù)較小時，上、下坯料變形協(xié)調(diào)，鍛件充型飽滿，復(fù)合界面水平居中，雙金屬模鍛復(fù)合效果良好。

半固態(tài)成形；雙金屬復(fù)合；觸變模鍛；數(shù)值模擬；DEFORM-3D軟件

雙金屬復(fù)合材料既可以克服2種金屬材料本身的不足，又能發(fā)揮2種金屬材料的優(yōu)點，其不同部位能實現(xiàn)不同的性能，被越來越多地應(yīng)用于航空、航天、機(jī)械、化工、電力和電子等工業(yè)領(lǐng)域[1?3]。Al-7%Si(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)合金屬于亞共晶鋁硅合金，其綜合力學(xué)性能好，耐腐蝕性能強(qiáng)，特別是抗疲勞性能優(yōu)異，常用于汽車汽缸、懸掛件、活塞曲臂、輪轂等[4]；Al-30%Si合金屬于過共晶鋁硅合金，其膨脹系數(shù)小，耐磨性好，具有很好的導(dǎo)熱性能，在活塞等耐磨件和電子封裝材料上有廣泛用途[5?6]。半固態(tài)成形技術(shù)具有金屬流動性好、變形力小、鍛件性能優(yōu)良等諸多優(yōu)點，可以實現(xiàn)近凈成形薄壁復(fù)雜零件[7?8]。利用半固態(tài)成形方法制備亞/過共晶鋁硅合金雙金屬復(fù)合材料，可獲得集亞、過共晶鋁硅合金優(yōu)點于一體的高性能、高精度產(chǎn)品[9]，例如外形復(fù)雜的高性能輕質(zhì)耐磨制動片，高導(dǎo)熱、高尺寸穩(wěn)定性的導(dǎo)電散熱元件，外科用高強(qiáng)耐磨活動支架部件等。雙金屬坯料在半固態(tài)成形過程中流動行為復(fù)雜。由于成形時間極短，不易進(jìn)行觀察分析，還沒有實驗對雙金屬半固態(tài)成形過程進(jìn)行有效觀察。隨著有限元技術(shù)的迅速發(fā)展，可利用數(shù)值模擬方法研究坯料在半固態(tài)成形過程中的溫度場、應(yīng)力場、應(yīng)變場等分布規(guī)律，預(yù)測其充型行為和優(yōu)化工藝參數(shù)等，為觀察雙金屬復(fù)合流體流動研究提供了有力工具。唐培 等[10]采用DEFORM-2D模擬軟件研究了半固態(tài)A356鋁合金在微凸臺陣列觸變成形過程中的流動特性和充型行為，分析了觸變成形工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)參數(shù)對微凸臺陣列充型效果的影響。杜艷梅等[11]采用ABAQUS有限元軟件對Al/Mg雙層復(fù)合管在半固態(tài)多坯料擠壓工藝下進(jìn)行數(shù)值模擬研究，確定了界面比為3:7時的擠壓速度和初始溫度，優(yōu)化了擠壓模具，同時結(jié)合速度分析了結(jié)合界面的結(jié)合情況。然而，半固態(tài)觸變模鍛雙金屬復(fù)合材料的數(shù)值模擬研究還未見報道。DEFORM-3D軟件提供一個方便的材料特性輸入接口窗口，同時它能很好地模擬雙金屬變形。這些功能賦予它具備分析半固態(tài)成形Al-7%Si/Al-30%Si合金雙金屬制品坯料流動行為的能力。工藝參數(shù)對半固態(tài)雙金屬的模鍛復(fù)合至關(guān)重要，如2種坯料的初始溫度決定各自的固液相率，若控制不好，則將引起雙金屬變形抗力懸殊大、變形不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致最終充填不完全、復(fù)合界面情況差等不良后果。本文作者利用DEFORM-3D體積成形軟件，對半固態(tài)觸變模鍛雙金屬復(fù)合材料的成形規(guī)律進(jìn)行研究，對不同坯料初始溫度、摩擦因數(shù)下的半固態(tài)模鍛復(fù)合成形進(jìn)行模擬和比較，以便為制定優(yōu)異的工藝參數(shù)提供依據(jù)。

1 有限元模型的建立

1.1 材料模型的建立

鋁合金半固態(tài)材料流變應(yīng)力沒有十分確切的函數(shù)表達(dá)式，隨著固相率或剪切速率的改變，真應(yīng)力?應(yīng)變曲線呈現(xiàn)不同的變化趨勢。在一般情況下，當(dāng)溫度和應(yīng)變速率都確定時，隨著應(yīng)變增加，應(yīng)力先迅速增至1個極大值，然后稍有下降至1個極小值，最后又持續(xù)而緩慢地上升。本文借鑒KANG等[12?13]的研究結(jié)果，獲得Al-7%Si合金的真應(yīng)力?應(yīng)變曲線。經(jīng)過修整，選取曲線中極大值、極小值等幾個關(guān)鍵點，導(dǎo)入DEFORM-3D軟件材料庫，得到不同溫度時不同應(yīng)變速率下的真應(yīng)力?應(yīng)變曲線，如圖1(a)所示。借鑒HOGG等[14]的研究結(jié)果，經(jīng)過類似修整得到Al-30%Si合金在不同溫度時不同應(yīng)變速率下的真應(yīng)力?真應(yīng)變曲線，部分曲線如圖1(b)所示。

(a) Al-7%Si在570 ℃時；(b) Al-30%Si在563 ℃時應(yīng)變速率/s：1—0.01；2—0.50；3—50.0。

1.2 幾何模型的建立

實體模型通過Pro/E三維造型軟件建立和裝配，保存為“.stl”格式，然后通過前處理器中的模型輸入接口導(dǎo)入得到有限元軟件中的三維實體模型。2種坯料工件的尺寸均為直徑×高為40 mm×26 mm的圓柱體。半固態(tài)模鍛雙金屬的示意圖如圖2所示，右邊為鍛壓前的狀態(tài)，左邊為鍛壓結(jié)束時的狀態(tài)。最后的鍛件剖面效果圖如圖3所示。

圖2 觸變模鍛雙金屬示意圖

圖3 鍛件剖面效果圖

1.3 模擬參數(shù)的設(shè)定

為了簡化數(shù)值模擬過程中的有限元模型，進(jìn)行如下假設(shè)：1) 當(dāng)坯料在感應(yīng)加熱終了時，溫度均勻分布，幾乎沒有溫度梯度[15]；2) 感應(yīng)加熱后的坯料主要由液相和球化的固相顆粒組成，流動性較好，可視為各向同性的均勻材料[16]。Al-7%Si合金固相率可用SCHEIL公式[17]算得，其在585 ℃時固相率為0.45，半固態(tài)加工性能較好。半固態(tài)成形過程中Al-30%Si合金固相率與溫度之間是一種非平衡態(tài)關(guān)系，不能用SCHEIL公式進(jìn)行推導(dǎo)，引用HOGG等[15]的實驗結(jié)果。設(shè)定上坯料Al-7%Si合金的初始溫度為585 ℃，下坯料Al-30%Si合金的初始溫度分別為580，575和570 ℃，進(jìn)行模擬比較。

將材料屬性設(shè)置為多孔性，模具屬性設(shè)置為剛性。網(wǎng)格劃分選用相對形式，上、下圓柱體坯料劃分網(wǎng)格均為8 000個。由于變形坯料有2個，坯料與坯料之間又有相互作用，成形過程計算比單金屬復(fù)雜很多，本文選用稀疏矩陣迭代法，既能保證模擬能順利完成，又能縮減計算時間。上模鍛壓速度為200 mm/s，模具溫度為300 ℃。坯料與模具之間的傳熱因子為11 N/(s·mm·℃)，上、下坯料之間的傳熱因子為15 N/(s·mm·℃)。上、下坯料之間的摩擦方式設(shè)為常數(shù)剪切摩擦，摩擦因數(shù)為0.3。坯料與模具之間的摩擦方式也設(shè)為常數(shù)剪切摩擦，摩擦因數(shù)分別為0.1，0.3和0.5，進(jìn)行模擬比較。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 單、雙金屬模鍛成形過程比較

圖4(a)~(e)所示為單金屬模鍛成形過程剖面圖，圖4(f)~(j)所示為雙金屬模鍛成形過程剖面圖。單金屬模鍛坯料為Al-7%Si合金，初始溫度為580 ℃，坯料與模具之間摩擦因數(shù)為0.3。雙金屬模鍛上坯料為Al-7%Si合金，下坯料為Al-30%Si合金，初始溫度分別為585 ℃和575 ℃，坯料與模具之間摩擦因數(shù)為0.3。

(a) 應(yīng)變速率，單金屬成形30%；(b) 等效應(yīng)變，單金屬成形50%；(c) 等效應(yīng)變，單金屬成形90%；(d) 溫度場分布，單金屬成形100%；(e) 應(yīng)變速率，雙金屬成形30%；(f) 等效應(yīng)變，雙金屬成形50%；(g) 等效應(yīng)變，雙金屬成形90%；(h) 溫度場分布，雙金屬成形100%應(yīng)變速率為單位s?1，等效應(yīng)力單位為MPa，溫度單位為℃

變形開始時，單金屬模鍛坯料下部先變形；成形30%時，坯料上部的應(yīng)變速率比下部小很多，變形也很微小；成形50%時，坯料中部擴(kuò)徑變形明顯，坯料上部的等效應(yīng)變較??；成形70%時，坯料下部充填完成接近一半，而上部充填才剛開始；成形90%時，坯料下部已經(jīng)充填飽滿，上部充填卻還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足；成形完成時，鍛件上部勉強(qiáng)充滿，下部有飛邊產(chǎn)生。雙金屬模鍛特征與單金屬截然不同，處于上部的上坯料優(yōu)先變形。成形30%時，上坯料開始向上充填，下坯料的變形速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)比上坯料的小；成形50%時，上坯料等效應(yīng)變比下坯料大得多；成形70%時，二者的等效應(yīng)力整體相差不大，彼此變形趨向協(xié)調(diào)、同步；成形90%時，上坯料等效應(yīng)變整體比下坯料稍大，但是二者縱向充填的進(jìn)度差不多；成形完成時，鍛件上、下部充填飽滿，幾乎沒有飛邊產(chǎn)生。

比較半固態(tài)單金屬模鍛和雙金屬模鍛得知：單金屬觸變模鍛具有整體性變形特征，整體充型能力強(qiáng)。雙金屬模鍛則兼具了半固態(tài)成形的共性和雙金屬模鍛復(fù)合的特性，即上、下坯料極軟，彼此變形相對獨立。上坯料本身變形抗力低，又直接受到上模的鍛壓作用，變形非常容易；鍛壓力經(jīng)過上坯料間接傳給下坯料，使得下坯料成形相對困難。雙金屬觸變模鍛非動模側(cè)的充型能力比單金屬的弱。

2.2 不同下坯料初始溫度對模鍛復(fù)合成形的影響

固液相率是影響半固態(tài)金屬加工性能的關(guān)鍵因素，因此，二次加熱溫度的合理選取至關(guān)重要。圖5(a)~(c)和圖5(d)~(f)所示分別為下坯料初始溫度 580 ℃和570 ℃時不同壓下量下鍛件的溫度場剖面圖，上坯料初始溫度為585 ℃，坯料與模具之間的摩擦因數(shù)為0.3。

(a) 于580 ℃成形50%；(b)于580 ℃成形90%；(c)于580 ℃成形100%；(d)于570 ℃成形50%；(e) 于570 ℃成形90%；(f) 于570 ℃成形100%

當(dāng)下坯料初始溫度為580 ℃時，成形開始，上、下坯料幾乎同時變形；成形50%時，下坯料豎直向下充填了大約1/3，而上坯料豎直向上充填還未開始；成形90%時，下坯料幾乎充填飽滿，而上坯料才充填3/4左右；成形結(jié)束時，鍛件底部有飛邊出現(xiàn)，復(fù)合界面偏靠下側(cè)、彎曲程度大。當(dāng)下坯料初始溫度570 ℃時，成形開始，上坯料優(yōu)先變形；成形50%時，上坯料豎直向上充填大約1/4，而下坯料才稍有豎直向下充填的趨勢；成形90%時，上坯料充填差不多完全，而下坯料充填還不到3/4；成形結(jié)束時，制品底部充填不飽滿，頂部飛邊較多，復(fù)合界面稍微偏靠上側(cè)。

分析結(jié)合下坯料初始溫度575 ℃結(jié)果(圖4)可得：下坯料初始溫度過高(580 ℃)，相應(yīng)地上坯料固相率相對高，變形抗力相對大，成形困難；上模的鍛壓力容易通過上坯料傳遞給下坯料，使得下坯料變形容易；下坯料初始溫度過低(570 ℃)，相應(yīng)地上坯料固相率低，變形抗力小，成形容易，上模的鍛壓力難以通過上坯料傳遞給下坯料，使得下坯料變形困難。由圖5(b)，4(i)和5(e)可以看出：隨著下坯料初始溫度下降，成形90%時鍛件下部充填越來越少，上部充填越來越多。這說明下坯料初始溫度越高，界面?zhèn)髁πЧ胶茫懠虏砍湫湍芰υ綇?qiáng)。另一方面，下坯料初始溫度過高會導(dǎo)致復(fù)合界面偏靠下側(cè)、彎曲程度大和底部出現(xiàn)飛邊等不良后果。當(dāng)下坯料初始溫度選取575 ℃時，成形初期上坯料變形比下坯料稍快，慢慢地二者充填速度漸趨同步，最后鍛件底部、頂部都充填飽滿，復(fù)合界面居中，無飛邊。

2.3 坯料與模具之間的摩擦因數(shù)對模鍛復(fù)合成形的影響

摩擦因數(shù)是影響金屬半固態(tài)觸變模鍛性能的1個重要因素，合適的摩擦因素是充型飽滿、復(fù)合界面情況良好、飛邊少等的保障。圖6(a)，(b)和(c)所示為坯料與模具之間的摩擦因素分別為0.1，0.3和0.5成形完成時鍛件的等效應(yīng)變場剖面圖。上坯料初始溫度為585 ℃，下坯料初始溫度為575 ℃。由圖6可以看出：隨著坯料和模具之間的摩擦因素增大，復(fù)合界面由原來的水平面狀轉(zhuǎn)為上下起伏的波浪狀，并且彎曲程度越來越大；復(fù)合界面邊部向上傾斜角度也逐漸增大，如圖6中箭頭所指處。這是由于摩擦因素增大，模具對坯料流動的阻礙增強(qiáng)，尤其是對下坯料豎直向下流動的阻礙更明顯。下坯料受到凹模內(nèi)壁表面和型芯模側(cè)壁表面摩擦阻力的共同作用，使得其向下充填時中間流動快兩側(cè)流動慢，導(dǎo)致復(fù)合界面發(fā)生彎曲，邊部向上傾斜。又由于型芯模側(cè)壁傾斜方向與凹模內(nèi)壁相反，與凹模內(nèi)壁相比，型芯模阻礙金屬向下流動作用小，因此，凹模給予的摩擦阻礙作用更顯著，使得復(fù)合界面兩側(cè)向上傾斜角度更大。故隨著摩擦因素增大，阻礙作用越明顯，復(fù)合界面呈波浪線狀彎曲得更嚴(yán)重，兩側(cè)向上傾斜角度也越大。

摩擦因素：(a) 0.1；(b) 0.3；(c) 0.5

3 結(jié)論

1) 單金屬觸變模鍛具有整體性變形特征，整體充型能力好；雙金屬觸變模鍛則兼具了半固態(tài)成形的共性和雙金屬模鍛復(fù)合的特性，上、下坯料極軟，彼此變形相對獨立，但受接觸界面?zhèn)髁Φ挠绊?，其非動模?cè)的充型能力比單金屬的弱。

2) 下坯料初始溫度過高，鍛壓力易于通過上坯料傳給下坯料，下坯料充填速度比上坯料快得多，鍛件復(fù)合界面偏靠下側(cè)、彎曲程度大，底部出現(xiàn)飛邊；下坯料初始溫度過低，鍛壓力難于通過上坯料傳給下坯料，下坯料充填速度比上坯料的充填速度慢得多，最終鍛件底部稍有未充滿、復(fù)合界面偏靠上側(cè)，頂部飛邊多。

3) 隨著坯料與模具之間的摩擦因素增大，凹模和型芯模表面阻礙下坯料流動的作用越顯著，導(dǎo)致復(fù)合界面發(fā)生彎曲起伏的程度增大，邊部向上傾斜的角度也增大。

4) Al-7%Si合金初始溫度為585 ℃，Al-30%Si合金初始溫度為575 ℃、坯料與模具之間摩擦因素較小時，上、下坯料變形協(xié)調(diào)，鍛件充型飽滿，復(fù)合界面水平居中，雙金屬觸變模鍛復(fù)合效果良好。

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(編輯 陳燦華)

Numerical simulation of thixo-forging Al-7%Si/Al-30%Si alloys bimetal

HUANG Honghua, YANG Zhao, WANG Guangxu, SHI Xiaocheng, HE Xiaolong

(School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

The forming process of thixo-forging Al-7%Si/Al-30%Si alloy composite in the semi-solid state was simulated by finite element software DEFORM-3D.The filling characteristics of bimetal billets in the composite forming process and the effects of process parameters on composite forming were investigated. The results show that single metal thixo-forging has integrity forming feature. And the filling capacity of bimetal thixo-forging is greatly affected by the efficiency of the stress transfer through interface, which results in the fact that the filling capacity of the bottom billet on the opposite side of moving die is worse than that of the single metal. The filling capacity of bottom billet would improve with the increase of the initial temperature of bottom billet or the efficiency of the stress transfer. However, when the initial temperature of the bottom billet is too high, the interface will deviate to bottom die and bend badly, and flash will appear on the bottom. The greater the friction coefficient between billets and molds, the more serious the composite interface bends and edge tilts upward. When the initial temperatures of Al-7%Si alloy and Al-30%Si alloy are 585 ℃ and 575 ℃, respectively, and the friction coefficients between billets and dies are small, top and bottom billets are deformed harmonically, forged pieces fill fully, interface of composite is well located in the center of the work pieces. The filling character is good.

semi-solid forming; bimetal composite; thixo-forging; numerical simulation; DEFORM-3D software

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.06.008

TG316.3

A

1672?7207(2016)06?1872?06

2015?06?15；

2015?08?18

國家自然科學(xué)基金面上項目(51474241)；中南大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(2014zzts173)(Project (51474241) supported by the National Natural Science Funds; Project(2014zzts173) supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities in Central South University)

楊昭，博士(后)，副教授，從事半固態(tài)成形研究；E-mail：zyang@csu.edu.cn