鈹鋁合金半固態壓縮變形數值模擬

李明力，喻 東

（中國工程物理研究院 材料研究所，四川 綿陽 621907）

鈹鋁合金是一種鈹鋁兩相互溶度極低的合金，具有復合材料特征。由于繼承金屬鈹和金屬鋁的高性能，具有低密度、高比剛度和高比強度，以及很好的熱穩定性，是一種優秀的航空航天材料。鈹鋁合金相對金屬鈹而言，成本大幅度降低，使得其具有更廣闊的市場?，F有產品已經廣泛應用于衛星部件、戰斗機和航天電子器件等[1-5]。從2011 年開始，陸續有報道IBC 工程材料公司（IBC Engineered Materials)鈹鋁合金在商業使用和軍用方面的需求量在增加，相關企業正在新建廠房，增加生產量來滿足日益增長的需求。現階段美國已經推出多種Beralcast 牌號的鈹鋁合金，瞄準具有廣闊市場的高精密、高尖端市場[6-8]。

20 世紀70 年代，Speneer 等[9]發現半固態金屬具有特殊的流變性，變形抗力大幅度降低，半固態加工技術隨之提出。從20 世紀70 年代末開始，半固態加工技術進入了實際生產應用。半固態加工技術主要應用于凝固溫度區間寬且液相線溫度較低的合金，其中在鋁合金加工成形中的應用是最廣泛的。由于半固態加工過程中漿料充型平穩，無湍流和噴濺，可消除凝固形成的縮孔等缺陷。相對固態成形，其具有變形抗力低、對模具損傷小、低能耗和低成本等優勢，并且由于其具有很好的流動性，可實現復雜零件的近凈成形。許多公司將半固態成形工藝應用到形狀復雜、成形困難的鋁合金零件上。例如，鋁合金輪轂、汽車發動機缸體、摩托車零件和發動機支架等。并且半固態成形技術可有效實現節能減排，是一種綠色制造技術，在我國大力提倡碳中和，控制碳排放的政策下，具有非常廣闊的發展前景。

鈹鋁合金加熱到液相線溫度（644 ℃）以上，變形抗力大幅度降低，約50 MPa[10]。但是由于鈹鋁合金半固態狀態下，鋁相為液相，鈹相為固相，所以變形過程中易發生固液分離。本文采用有限元方法對鈹鋁合金半固態單軸壓縮進行數值模擬，獲得了樣品中不同區域的固相率分布情況，以及不同變形量對固相分布的影響，為后續加工進行初步的分析。

1 有限元模型的建立

有限元法可有效模擬計算半固態成形過程，Deform-3D 軟件被廣泛應用于半固態觸變成形的有限元分析中，可預測觸變成形過程中載荷大小，以及隨位移增加的變化規律，除此之外，還能預測坯料內部的應力和應變的變化規律，以及速度場的分布情況。并且有限元分析還能有效預測變形后樣品內部各區域的固相率分布規律，以及變形量對坯料內部各區域固相率變化的影響。

本實驗采用的材料模型為鑄態Be-38wt.%（～30 at.%）Al 合金，其力學模型借鑒Dou 等[10]的實驗結果，獲得了在660 ℃、變形速率為1s-1條件下的真應力-應變曲線。經過擬合處理，將曲線導入Deform-3D 軟件材料庫，然后，對建立好的模型進行網格劃分和計算，并采用Deform-3D Post 模塊對模擬數據結果進行可視化，獲得變形過程中應力場和速度場的變化規律，并獲得樣品固相率的分布情況。

半固態鈹鋁合金可近似為多孔材料模型[11]，所以材料屬性設置為多孔性，固相率設置為0.7。幾何模型采用UG 三維造型軟件進行建模，然后導入Deform-3D前處理器中進行網格劃分等處理，坯料為Φ10 mm×15 mm的圓柱形樣品，上下壓頭設置為剛性。變形速率約10 mm/s，溫度為660 ℃。坯料與模具間采用常數剪切摩擦，摩擦因數為0.3。如圖1 所示。

圖1 單軸壓縮模型示意圖

2 數值模擬結果分析

單軸壓縮樣品分為3 個變形區。其中：①為難變形區，②為大變形區，③為易變形區，如圖2 所示。分別對樣品變形過程中3 個區域進行應力場、速度場、固相率分布及變化規律分析。

圖2 單軸壓縮樣品變形區示意圖

應力場分布如圖3（a）所示，在大變形區（B 區）應力最大，而易變形區（A 區）和難變形區（C 區）應力較小。這是因為多孔材料在壓縮過程中密度會發生變化，而在大變形區的密度增加最快及密度最大，所以應力也最大。對比分析不同變形量的應力分布圖，可以得到隨著變形量的增加，中心區域的應力在持續增大，這是由于固相顆粒堆積引起的，密度越大應力也越大。

圖3 單軸壓縮樣品應力分布圖

變形后樣品中各區域的固相率分布不同主要是變形過程中固液流動速率不同引起的。所以對變形過程中各區域速度場的分布進行分析預測能有助于對固液分離進行理解。變形過程中的速度場分布如圖4 所示，實際變形過程中上部分坯料從上往下流動，而中心區域的坯料往邊緣區域流動，在坯料的底面流動速度最小，靠近下表面中心區域甚至是“變形死區”。而且隨著變形量的增大，各區域的流動速率變化不大，但是固相顆粒的流動速率卻在減小，所以液相的流動速率是相對在增加的。

圖4 單軸壓縮樣品速度分布圖

P1～P3 是樣品軸向取樣，其中，P1 為上邊緣的位置，P2 為樣品中心與上邊緣1/2 位置，P3 為中心位置；P3～P6 是樣品徑向取樣，其中，P4 為中心與右邊緣1/2 位置，P5 為P4 與右邊緣1/2 位置，P6 為右邊緣位置，如圖5 所示。

圖5 樣品取樣位置

對變形樣品的不同位置進行固相率的統計，如圖6 所示。結果表明，隨著應變量的增加，取樣位置的固相率都在增大，且中心區域的固相率增加最快，而邊緣處的固相率增加較慢。這是因為模擬過程中將樣品近似為多孔樣品，而空隙處近似為液相，壓縮過程中液相被擠出基體，使得固相率升高。由于液相的流動速率遠大于固相，中心區域的液相向鄰近位置流動，使得中心區域固相率最高。而邊緣處的液相在向外流出的同時，樣品內部又有尺寸的液相流入此區域，所以邊緣處的固相率增加不明顯。

圖6 樣品不同位置的固相率-真應變曲線

進一步對不同變形量樣品進行不同區域的固相率對比，如圖7 所示。其中1～3 為樣品上邊緣到樣品中心的軸向分布，3～6 為樣品中心到樣品右邊緣的徑向分布。結果表明，在變形量為0.1 的情況下，各區域的固相率相差很小，而隨著變形量進一步增大，各區域的固相率持續增加。軸向和徑向上都具有越靠近中心區域固相率越高的規律。除此之外，還能看出隨著變形量的增加，沿軸向邊緣位置與中心位置的固相率差值先增大后減小，而沿徑向邊緣位置與中心位置的固相率差值一直在增加。

圖7 樣品不同變形量的固相率-位置曲線

3 結論

鈹鋁合金半固態壓縮變形為偽半固態壓縮變形，其中液相為鋁相，固相為鈹相，各區域的固相率差值可表明變形過程中固液分離程度。壓縮過程中，樣品中心區域應力較大是由于固相率增加引起的，而且隨著壓縮量的增加，固相率在增大，引起應力也持續增加。壓縮變形后，樣品中心區域固相率最高，邊緣位置的固相率較低；隨著變形量的增加，沿軸向方向固液分離程度持續增加。