基于數值模擬擋水板對7055鋁合金鑄造工藝影響

馬國強，李 洋，楊 路，張祝琿，于長富

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003)

7xxx系合金因其熱加工性能好，在不同時效狀態下擁有不同的強度、耐腐蝕性和韌性匹配[1-2]，隨著航天航空和汽車工業的發展，7xxx系超高強鋁合金的應用日益廣泛[3-6]。其中，7055鋁合金是一種高強高韌鋁合金材料，被廣泛應用于航空航天領域[7-8]。其鑄造難點是裂紋敏感性強，易開裂，導致大規格鑄錠的成品率較低，故鑄造過程中采用擋水板技術可以降低其裂紋傾向[9-12]。本文通過計算機仿真技術，模擬鑄錠的溫度場、應力場、枝晶生長間距，分析擋水板對半連續鑄造的影響，并確定擋水板的最佳擋水位置。

1 合金成分及物化參數

采用直接水冷半連續鑄造制備7055鋁合金鑄棒，鑄棒直徑446 mm，鑄造長度2000 mm，成分(質量分數，%)為，Si 0.04，Fe 0.08，Cu 2.0，Mg 2.0，Zn 8.2，Ti 0.01，Zr 0.11，其它單個0.05，其它合計0.15。根據合金成分計算，得出密度為2528.23kg/m3，黏度為1.28Pa.S，固相線溫度438℃，液相線溫度628℃，其中粘度、密度假設為定值。

2 數值模擬

2.1 三維模型及離散化

擋水板半連續鑄造是一種7xxx系合金常用的弱冷鑄造技術之一[13-15]，根據擋水板鑄造特殊性利用C++語言進行開發，采用MILE瞬態模型進行數值分析[4-6]，模型如圖1所示。

圖1 半連續鑄造三維模型及離散化

圖中a為鑄錠中心部分，b為鑄錠1/2R區域、c為鑄錠表面，通過點跟蹤分析不同工藝參數對a、b、c區域影響。擋水板固定在鑄井棚格區域，距鑄錠外表面為30mm，擋水板距結晶器下沿的距離h根據數值模擬確定。

2.2 邊界條件及工藝參數

擋水板半連續鑄造溫度場、應力場的邊界條件，包括澆口邊界、一冷邊界、二冷邊界、對稱邊界條件等。工藝參數包括擋水板高度、鑄造速度、鑄造溫度、冷卻水流量、一冷強度、二冷強度，見表1。

表1 7055鋁合金鑄造工藝參數

根據表1中工藝參數分析有無擋水板情況對鑄錠的溫度場、應力場、枝晶情況的影響，確定最佳的擋水板安裝位置。

3 結果與討論

3.1 擋水板對鑄錠的影響

3.1.1 擋水板對溫度場的影響

7055鋁合金鑄錠的溫度場如圖2所示。從圖中可以發現，圖2(b)結晶器下端溫度梯度低于圖2(a)，且在擋水板下端溫度場均勻。圖2(c)中曲線顯示不同監測位置a、b、c相同時間內溫度逐漸下降；相同監測位置對比有、無擋水板條件，有擋水板溫度梯度低于無擋水板情況。

3.1.2 擋水板對凝固場的影響

7055鋁合金鑄錠的凝固場如圖3所示。圖3(b)的液穴深度大于圖3(a)，且液-固區間較大。圖3(c)中曲線不同監測位置a、b、c相同時間內凝固率逐漸增大，a處最先凝固；在相同監測位置有、無擋水板條件，有擋水板凝固率低于無擋水板情況。故擋水板影響鑄錠凝固時間，且液穴較無擋水板情況更深。

圖2 7055鋁合金鑄錠溫度場

圖3 7055鋁合金鑄錠凝固場

3.1.3 擋水板對應力場的影響

鑒于7xxx系鋁合金具有裂紋敏感性強，易開裂的特點，其在鑄造過程中極易出現熱裂紋傾向，當出現熱裂紋時隨著冷卻水的繼續作用產生冷裂紋，在鑄造過程中有明顯的裂紋“清脆聲”，安裝擋水板可以降低二冷過程中冷卻水對鑄錠的影響，降低裂紋傾向性。圖4(a)為無擋水板情況，應力集中在表面、中心處且應力范圍更廣、裂紋傾向更大；圖4(b)為有擋水板情況，應力主要集中于二冷噴水區域鑄錠表面，應力分布范圍更小，擋水板起到了降低應力分布的作用；根據圖3(c)曲線發現，當鑄造時間相同條件下，有擋水板條件下a、b區域應力小于無擋水板條件，故在擋水板作用下鑄錠的中心應力有明顯下降，有利于降低鑄錠中心貫穿裂紋的形成。在鑄造時間為400s～500s時，c區有擋水板一側應力略大于無擋水板，超過500s之后無擋水板一側的應力逐漸增加，而有擋水板一側則逐漸下降，故擋水板并不能完全降低二冷區域階段鑄錠表面的應力大小，但可以降低鑄錠表面應力分布，使得應力分布范圍下降。

圖4 7055鋁合金鑄錠應力場

3.2 擋水板距結晶器下沿距離對鑄錠的影響

3.2.1 不同距離對溫度場影響

不同擋水板距離鑄錠溫度場如圖5所示。從圖中可以發現，隨著距離的增加，結晶器內鑄錠的溫度梯度明顯上升，縱向裂紋傾向明顯增加，故距離不可過大，130mm時溫度場梯度明顯增加，故距離應控制在60mm～100mm。

圖5 不同擋水板距離鑄錠溫度場

3.2.2 不同高度擋水板對凝固場影響

根據半連續鑄造特點，即隨著引錠桿的下降鑄錠逐漸凝固，圖6中紅色區域為液相區，而灰色區域為凝固區，液-固混合區域隨著擋水板高度的增加逐漸減少，當擋水板高度為60mm時，液-固混合區間最寬。由于固-液相區間增大會導致結晶緩慢，使得晶粒尺寸增大，不利于形成細小的等軸晶，故距離應控制在100mm～130mm。

圖6 不同高度擋水板距離鑄錠凝固場

3.2.3 不同高度擋水板對應力場影響

根據前者分析，安裝擋水板可以降低二冷過程中冷卻水對鑄錠的影響，降低裂紋傾向性，圖7為不同擋水板距離對鑄錠應力場的影響。隨著距離的增加鑄錠的應力場逐漸增大，應力集中由表面向中心擴散，h=100mm～130mm時，應力場分布較廣。過分增加距離會使得擋水板作用失效，故不宜過分提高擋水板距離。綜合考慮100mm為最佳位置。

圖7 不同擋水板距離鑄錠應力場

3.3 有、無擋水板對鑄錠質量的影響

為驗證擋水板模擬結果，進行有、無擋水板鑄造實驗(鑄造工藝條件見表1)，擋水板安裝在在距結晶器下沿100mm處。鑄錠質量結果如圖8所示，有擋水板條件下鑄錠中心、表面均無裂紋，無擋水板鑄錠中心有裂紋產生。故安裝擋水板鑄造7xxx系鋁合金可以降低鑄錠裂紋傾向性，從而生產出質量良好的鑄錠。

圖8 有、無擋水板條件下鑄錠質量的對比

4 結論

(1) 當使用擋水板時，鑄錠縱向溫度梯度更小、更均勻，降低鑄錠內部應力大小及分布且應力分布主要集中在表面，并不能完全降低二冷區域階段鑄錠表面的應力大小，但可降低鑄錠表面應力分布，使得應力范圍下降。

(2) 隨著擋水板距結晶器下沿距離的增加，鑄錠的縱向溫度梯度逐漸增加，固-液相區間逐漸減少，應力分布由表面逐漸向鑄錠內部擴散，綜合考慮100mm為最佳位置。

(3) 為驗證擋水板模擬結果，進行有、無擋水板鑄造實驗，得出擋水板安裝在在距結晶器下沿100mm處，鑄錠中心、表面均無裂紋，無擋水板鑄錠中心有裂紋產生。