基于ALE 法的2195 鋁鋰合金擠壓溫度影響的數值模擬研究

徐遠帆 張立華

（湖南中南大學，湖南 長沙 410000）

鋰是最輕的金屬元素，將鋰加入鋁合金不僅可以改善鋁合金的高周疲勞性能、提高疲勞裂紋擴展抗力，還能提高鋁合金的拉伸強度[1-2]，提高在低溫條件下的強度-斷裂韌性綜合性能[3]。然而，由于鋁鋰合金的擠壓性指數相對傳統鋁合金更高，且鋰元素的存在使得鋁鋰合金對擠壓式的溫度更為敏感，擠壓后的表面質量差且難以連續[4]。

本文以2195 鋁鋰合金擠壓成型過程為研究對象，使用Inspire Extrude 軟件進行數值模擬，獲得了不同擠壓溫度下穩定擠壓階段金屬流動的速度場、溫度場、應力和應變速率場的分布規律，并通過擠壓實驗對數值模擬結果進行了驗證，為鋁鋰合金擠壓工藝的方案設計提供了新的參考。

1 Inspire Extrude 有限元理論基礎

鋁合金的擠壓加工是一種塑性變形的過程，變形過程非線性，是一個包含大變形、熱量傳遞、多受力的多個變量交叉耦合的復雜過程[5]。在市面上主流的擠壓仿真軟件中，所采用的算法可以分為以下三種：Lagrange 法；Euler 法；任意拉格朗日-歐拉法（Arditrary Lagrange-Euler，ALE）法。

其中ALE 法結合了Lagrange 法和Euler 法的優點，使用ALE法進行仿真模擬，可以通過改變網格點與金屬材料之間的指向關系，選擇性的進行拉格朗日描述或歐拉描述。因此，ALE 法是目前運用最為廣泛的金屬擠壓過程仿真方法之一[6]。

2 2195 鋁鋰合金擠壓過程的模擬模型

2.1 流體模型：定義工作帶長度4mm，型材長度12mm；定義棒料長度300mm，棒料直徑90mm，擠壓筒直徑95mm。

2.2 材料模型：本文設定的2195 鋁鋰合金本構模型方程為：

式中：n——材料的盈利指數，取5.66。

應變偏置值取0.0001，活化能為158300J/mol，應變因子倒數為5.18*1010，通常氣體常熟8.314J/mol-K，α=4.5*10-8。材料密度測得為1650kg/m3，比熱為750J/kg-k，傳導率1.38W/m-K，熱膨脹系數為0.00001，楊氏模量取4*1010Pa，泊松比0.35。

2.3 網格模型：對坯料進行網格劃分，劃分的單元形狀為三棱柱六節點單元，兩塊區域共劃分148345 個網格單元，整個模型攻擊213978 個網格單元，節點數69873 個。劃分結果如圖1 所示。

圖1 網格劃分結果

本次仿真設定的擠壓溫度變量如表1 所示，擠壓速度設定為0.8mm/s，共計9 組。

表1 擠壓溫度變化分組設定

3 數值模擬結果分析

3.1 壓應力分析。壓應力如圖2 所示，壓應力的最大值出現在坯料末尾擠壓墊和坯料接觸的地方。用壓應力最大值乘以擠壓墊和坯料的接觸面積即可得到所需的擠壓力，壓應力最大值的變化趨勢即為所需擠壓力的變化趨勢。

圖2 壓力分布云圖

壓應力最大值、對應擠壓力如表2 所示。隨著擠壓溫度升高，擠壓力下降。這是由于隨著2195 鋁鋰合金坯料的溫度升高，材料的塑性提高，抗變形的能力有所下降，使其發生塑性變形所需要的擠壓力減小。

表2 壓應力最大值、所需的擠壓力

3.2 速度場分析。以第1 組為例，速度場的仿真結果如圖3 所示。正向擠壓2195 鋁鋰合金的過程中，速度分布并不均勻，在擠壓模和坯料接觸的出料口處速度達到最大值。在Inspire Extrude 軟件中可以查看相對出口速度差異，分布云圖與速度云圖相同。

圖3 速度、相對出口速度差異分布云圖

速度最大值、相對出口速度最大值如表3 所示。但隨著擠壓溫度的提高，2195 鋁鋰合金在擠壓過程中的速度最大值呈現出增大的趨勢，這是由于溫度的提高降低里2195 鋁鋰合金抗變形的能力，且存在一定程度的熱膨脹現象，提高出料口界面上的速度和相對出口速度差異輕微提高。

表3 速度最大值、相對出口速度差異最大值

以最小晶粒尺寸為標準，結果如表4 所示。隨著擠壓溫度的升高，擠壓產品的晶粒尺寸逐漸變大。原因是擠壓溫度越高，材料降溫的時間越長，晶粒長大的時間越長，形成的晶粒尺寸也就越大。

表4 最小晶粒尺寸（μm）

3.3 數值模擬總結

提高擠壓溫度可以減小所需要的擠壓力，對擠壓設備的要求降低，但材料的流動速度、相對出口速度差異增大，容易造成擠出產品的端面不平整和產品表面出現裂紋缺陷，且產品的晶粒尺寸會變大。

4 實驗結果分析

使用630 擠壓機對相同批次的2195 鋁鋰合金鑄棒進行正擠壓實驗，擠壓溫度分別設置為450℃與480℃，并對產品進行金相分析，結果如圖4-5 所示。由圖中可知，480℃下擠壓產品產生了更多的表面裂紋，且晶粒尺寸更大。與數值模擬獲得的擠壓溫度對擠壓成型質量的影響規律相吻合。

圖4 450℃擠壓產品表面及金相圖

圖5 480℃擠壓產品表面及金相圖

5 結論

利用任意拉格朗日-歐拉（ALE）有限元法對鋁鋰合金的正向穩態擠壓過程進行數值模擬，成功預測了擠壓溫度的提高帶來的擠壓力減小、流動速度和相對出口速度差異增大造成產品表面缺陷裂紋、產品晶粒尺寸變大的影響規律，并通過實際的擠壓實驗驗證了該規律。證明ALE 有限元法能準確地預測鋁鋰合金擠壓溫度對擠壓成型質量的影響，可以為鋁鋰合金擠壓工藝方案的設計提供指導。