不同液相分?jǐn)?shù)控制對7A04鋁合金凝固過程的模擬研究

馮艷飛，趙 鑫，楊 路，張 宇，王 克，鄭 建

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽 111003)

隨著航空、航天等高科技領(lǐng)域的大力發(fā)展，近年來對超強(qiáng)鋁合金性能的要求越來越高。不但要求其高強(qiáng)度，還提出了高韌、耐腐蝕、抗疲勞等多方面性能需求，因此如何提高鋁合金的綜合性能一直是材料工作者們研究的重點(diǎn)之一[1]。超高強(qiáng)鋁合金是一類高性能Al-Zn-Mg-Cu合金材料[2]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷蓬勃發(fā)展，使得數(shù)值模擬技術(shù)得到了快速飛躍，在解決鋁合金凝固過程方面展現(xiàn)了極大優(yōu)勢[3-4]，也使得數(shù)值模擬技術(shù)成為當(dāng)今非常熱門的研究方向之一,相繼開發(fā)了多種新型鋁合金凝固過程的數(shù)學(xué)模型[5-7]。因此，為了滿足更多需求，本文以控制7A04鋁合金的液相分?jǐn)?shù)為出發(fā)點(diǎn)，通過數(shù)值模擬計(jì)算的方法研究了7A04鋁合金的不同液相分?jǐn)?shù)對熱焓、潛熱、凝固溫度、冷卻速率、枝晶間距、硬度等影響，為更好生產(chǎn)超強(qiáng)性能的7A04鋁合金鑄錠產(chǎn)品提供了一定的理論基礎(chǔ)。

1 凝固計(jì)算過程

本文通過成分設(shè)計(jì)，運(yùn)用自主編程及數(shù)值計(jì)算的方法，研究不同液相分?jǐn)?shù)控制對7A04鋁合金凝固過程的影響，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為，Zn 5.82，Mg 2.34，Cu 1.90，Mn 0.34，Cr 0.18，Ti 0.04，Si 0.11，F(xiàn)e 0.35，Al 余量。在凝固過程中采用Scheil-Gulliver模型理論可以很好地解決眾多鋁合金不能試驗(yàn)的凝固問題，但它仍然是一個(gè)近似值，在凝固過程中可能存在部分反向擴(kuò)散。為了很好地控制凝固全過程，特定研究了凝固截至點(diǎn)對鋁合金凝固過程的影響。假設(shè)前提條件：1)固相的溶質(zhì)擴(kuò)散可以忽略不計(jì)；2)液相中的溶質(zhì)擴(kuò)散非常快，以至擴(kuò)散完全。

形成固相中合金成分：Cs=kC0(1-fs)k-1

(1)

(2)

材料性能計(jì)算,基于每個(gè)相的合金成分計(jì)算該相的相關(guān)性能：

(3)

根據(jù)材料的相組成及每個(gè)相的性能利用混合定律計(jì)算出材料的整體性能。

Pt=xαPα+xβPβ+xεPε

(4)

2 計(jì)算結(jié)果及分析

圖1為溫度與不同液相分?jǐn)?shù)的關(guān)系圖，從圖中可以看出，不同溫度下液相分?jǐn)?shù)變化較為明顯。在0℃～450℃，液相分?jǐn)?shù)均近似為0；在450℃～613.3℃，隨著溫度的升高，液相分?jǐn)?shù)不斷增大，在613.3℃時(shí)，液相分?jǐn)?shù)為0.97；當(dāng)溫度大于613.3℃開始增大滯緩，趨近1。

圖2為溫度與熱容的關(guān)系，從圖中可以看出熱容隨著溫度呈先逐漸升高后降低趨勢。在610℃左右，熱容最大，為323.90J/mol·K，并在490℃、630℃、690℃均出現(xiàn)小波峰，熱容分別為55.56J/mol·K、43.60J/mol·K和8.06J/mol·K。

圖1 溫度與液相分?jǐn)?shù)的關(guān)系Fig.1 Relationship between temperature and liquid fraction

圖2 溫度與熱容關(guān)系Fig.2 Relationship between temperature and heat capacity

通過數(shù)值模擬計(jì)算理想狀態(tài)下的鑄錠相組成及析出溫度，用合金優(yōu)化后含量為Al-0.18Cr-1.9Cu-0.35Fe-2.34Mg-0.34Mn-0.11Si-0.04Ti-5.82Zn(at.%)的成分進(jìn)行計(jì)算，得出理想狀態(tài)下，鑄錠的相組成圖及各相析出溫度如圖3所示。由圖3可以看出，按照選取的合金成分，7A04鋁合金鑄錠在理想狀態(tài)下的相組成有，α-Al(固溶體)、η相(MgZn2)、Al2Cu和Al7Cu2FeAl6Mn,，其中7A04合金的強(qiáng)化相主要為η相(MgZn2)。Al-Zn-Mg-Cu合金沉淀相的析出序列對應(yīng)主要為，α-Al(過飽和固溶體)-GP區(qū)-η′過渡相(MgZn2)-η平衡相(MgZn2)。

圖3 鑄錠相組成及析出溫度Fig.3 Phase composition and precipitation temperature of ingot

圖4為不同液相分?jǐn)?shù)下的溫度與潛熱的關(guān)系，從圖中可以看出不同液相分?jǐn)?shù)下凝固潛熱變化較大，在液相分?jǐn)?shù)為0.1、0.3、0.5、0.8時(shí)，近似均在700℃開始凝固潛熱釋放，而凝固潛熱釋放結(jié)束溫度依次分別為465℃、555℃、585℃、605℃，此刻的凝固潛熱最大值分別為335.8J/g、262.8J/g、197.2J/g和91.7J/g。液相分?jǐn)?shù)越大，凝固潛熱的溫度越大，凝固潛熱最大值越小。另外液相分?jǐn)?shù)0.1，變化較為明顯，相同溫度下，凝固潛熱比液相分?jǐn)?shù)0.3、0.5、0.8 的大。凝固潛熱的釋放，為結(jié)晶過程提供了必要條件。

圖4 溫度與潛熱的關(guān)系Fig.4 Relationship between temperature and latent heat

圖5為不同液相分?jǐn)?shù)下溫度與焓的關(guān)系。焓隨著凝固溫度和液相分?jǐn)?shù)變化而發(fā)生明顯變化。在不同液相分?jǐn)?shù)0.1、0.3、0.5和0.8作用下，焓變化明顯不同。在液相分?jǐn)?shù)0.1時(shí)，焓隨凝固溫度的降低(由635℃降低到450℃)而均勻下降。研究發(fā)現(xiàn)，焓的劇烈變化溫度只在液-固區(qū)間。而液相分?jǐn)?shù)分別為0.3、0.5和0.8時(shí)，焓隨著凝固溫度的降低而發(fā)生劇烈變化；當(dāng)溫度高于615℃時(shí)，焓隨溫度降低呈均勻下降；當(dāng)溫度由615℃分別降低至540℃、575℃和600℃時(shí)，焓急劇下降，隨后又恢復(fù)至均勻降低變化趨勢。

圖5 溫度與焓的關(guān)系Fig.5 Relationship between temperature and enthalpy

圖6是不同液相分?jǐn)?shù)0.1、0.3、0.5、0.8下理想狀態(tài)的7A04鋁合金鑄錠凝固冷卻溫度曲線，從圖中可以看出，隨著液相分?jǐn)?shù)的增加，鑄錠凝固冷卻溫度降低越快。凝固結(jié)晶平臺溫度越低，過冷度越大，越有利于鑄錠凝固組織晶粒均勻細(xì)化。液相溫度達(dá)到固液相變時(shí)才開始自發(fā)結(jié)晶，液相分?jǐn)?shù)增大，熔液中開始出現(xiàn)更多的新相胚芽長大，釋放吉布斯自由能增加，并且加快了原子團(tuán)簇的生長，原子團(tuán)簇長大優(yōu)先選擇在熔體內(nèi)部懸浮固相質(zhì)點(diǎn)表面或者型壁上。形核是原子團(tuán)簇不斷長大的結(jié)果，而臨界形核需要克服能量起伏、濃度起伏和結(jié)構(gòu)起伏。需要克服的能量為臨界晶核界面能的1/3(發(fā)生過冷的原因)，而提高液相分?jǐn)?shù)，可以使得高能量滲入熔體，對初生晶核的形成和提高形核率提供了有利條件。

圖6 不同液相分?jǐn)?shù)的冷卻溫度曲線Fig.6 Cooling temperature curve of different liquid fraction

圖7是不同液相分?jǐn)?shù)下的凝固速率與枝晶間距的關(guān)系曲線。從圖7中可以看出，隨著冷卻速率的升高，枝晶間距逐漸降低，且枝晶間距隨著冷卻速率的提高，降低的速度逐漸降低，且液相分?jǐn)?shù)較大降低速率越快。在相同冷卻速率情況下，隨著液相分?jǐn)?shù)的升高，枝晶間距也逐漸降低。當(dāng)冷卻速率為3℃/s時(shí)，液相分?jǐn)?shù)0.1、0.3、0.5、0.8時(shí)的枝晶間距依次為79.91μm、74.32μm、69.25μm、67.94μm。當(dāng)冷卻速率為30℃/s時(shí)，液相分?jǐn)?shù)0.1、0.3、0.5、0.8時(shí)的枝晶間距依次為37.38μm、34.76μm、32.39μm、31.78μm，此時(shí)冷卻速率3℃/s升高至30℃/s時(shí)，液相分?jǐn)?shù)0.1、0.3、0.5、0.8時(shí)的枝晶間距依次明顯降低了53.2%、53.22%、52.69%、53.26%，枝晶間距降低率幾乎近似相同。

圖7 冷卻速率與枝晶間距的關(guān)系Fig.7 Relationship between cooling rate and dendritic spacing

圖8為不同液相分?jǐn)?shù)下的凝固速率與顯微硬度的關(guān)系曲線。從圖8中可以明顯看出，在液相分?jǐn)?shù)為0.1、0.3、0.5、0.8時(shí)，隨著冷卻速率的不斷升高，顯微硬度不斷增大。在冷卻速率相同作用下，硬度隨著液相分?jǐn)?shù)的提高而增大，尤其液相分?jǐn)?shù)為0.8時(shí)硬度提高較明顯。當(dāng)冷卻速率在0～10℃/s ，不同液相分?jǐn)?shù)的顯微硬度均提升較快，但超過10℃/s時(shí)，硬度上升趨勢較小。當(dāng)冷卻速率為3℃/s時(shí)，液相分?jǐn)?shù)0.1、0.3、0.5、0.8時(shí)的顯微硬度依次為90.39HV、96.96HV、105.11HV、129.80HV。通過對比，液相分?jǐn)?shù)0.3、0.5、0.8相對液相分?jǐn)?shù)0.1顯微硬度分別提高了6.8%、14.0%、30.4%。

圖9為冷卻速率3℃/s下不同液相分?jǐn)?shù)的數(shù)值計(jì)算與硬度值關(guān)系曲線。結(jié)合圖8可知，7A04鋁合金維氏硬度試驗(yàn)值為115.45HV，試驗(yàn)維氏硬度值與數(shù)值計(jì)算維氏硬度值相比，較液相分?jǐn)?shù)為0.1、0.3、0.5時(shí)稍大，較液相分?jǐn)?shù)為0.8時(shí)稍小，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測量結(jié)果基本吻合。

圖8 凝固速率與硬度的關(guān)系Fig.8 Relationship between solidification rate and hardness

圖9 試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算的硬度對比驗(yàn)證Fig.9 Comparison and verification of hardness between test and numerical calculation

3 結(jié)論

(1)7A04鋁合金凝固過程中，在凝固溫度450℃～613.3℃之間，隨著溫度升高，液相分?jǐn)?shù)不斷增大，從0增至0.97，此溫度區(qū)間液相分?jǐn)?shù)變化顯著。

(2)液相分?jǐn)?shù)分別為0.1、0.3、0.5、0.8時(shí)，凝固潛熱近似均在700℃開始釋放，而凝固潛熱釋放終了溫度依次分別為465℃、555℃、585℃、605℃。依次凝固潛熱最大值分別為335.8J/g、262.8J/g、197.2J/g、91.7J/g。液相分?jǐn)?shù)越大，凝固潛熱終了溫度越高，凝固潛熱最大值越小。

(3)隨著液相分?jǐn)?shù)0.1、0.3、0.5、0.8的增大，凝固溫度的降低越遲緩凝，且凝固過程提前，過冷度顯著增大，相同冷卻速率下枝晶間距縮小，硬度顯著提高。