AA5182铝合金半连续铸造过程热裂敏感性模拟研究_于博.pdf

有色合金2022年第12期/第71卷1529AA5182 铝合金半连续铸造过程热裂敏感性模拟研究于博1,豆瑞锋1,王一帆1,王俊升2,刘训良1,温治1（1.北京科技大学能源与环境工程学院，北京 100083；2.北京理工大学前沿交叉科学研究院，北京 100081）摘要：热裂是铸造过程中的十分常见且严重的缺陷之一，多年来一直是铸造领域研究的重点课题。本文结合应变的三维分解方法，将RDG热裂预测判据扩展到三维，使其能够更准确地预测合金的热裂敏感性。同时用扩展的热裂模型预测直冷铸造（Direct chill casting，DC casting）进行应用，考察浇注温度、铸造速度等工况参数对热裂产生的影响。研究发现，收缩孔隙的形成与铸坯内部的冷却速率有很大关联；而变形孔隙的大小则主要取决于铸坯局部的应变大小。提高铸造速度会显著促进孔隙的形成，而增大浇注温度会抑制收缩孔隙、变形孔隙的形成。在实际生产中，适当调配浇注温度与铸造速度可达到同时增加产率与降低热裂敏感性的目的。关键词：DC铸造；热裂；孔隙；AA5182铝合金作者简介：于 博（1996-），男，硕士研究生，研究方向为铝合 金 热 裂 研 究。E-mail：通信作者：豆瑞锋，男，博士，副教授。E-mail：中图分类号：TG249.7文献标识码：A 文章编号：1001-4977（2022）12-1529-08收稿日期：2022-03-22 收到初稿，2022-05-18 收到修订稿。得益于铝合金在地表丰富的储量以及本身质轻、高强度的材料性能，铝合金正被广泛应用于交通、建筑、航空航天等各个领域1。目前工业上应用的铝合金主要通过半连续铸造（DC casting）的方式生产，而通过连铸进行大尺寸铝合金坯的生产一直是工业上的难点。在半连续铸造过程中，由于冷却水会直接与铸锭接触产生的强烈冷却作用会在铸锭内产生很高的冷却速率、温度梯度，进而导致铸坯内部会产生很高的热应力应变，而较高的热应力通常被认为是导致铸锭出现热裂等缺陷的主要原因2。除了冷却条件，目前有关半连续铸造的研究普遍认为：过热度和铸造速度（拉速）也会显著影响铸坯内部的温度梯度、应力分布等，也是影响铸坯质量的主要因素3。5182系列的铝合金具有良好的成形加工性能、抗蚀性、焊接性，被广泛应用于制造飞机、车辆、船舶等，被看作是最有前途的铝合金之一。因此，本文以AA5182铝合金为研究对象，建立连铸圆坯凝固传热数学模型，设置不同的过热度、拉速对铝合金连铸圆坯凝固过程进行模拟。进而通过C#编程将有限元模拟得到的铸造结果与热裂预测判据进行耦合计算，得到AA5182铝合金铸坯内的孔隙分数分布情况，分析铸坯内孔隙分数较大的部位及原因，并研究过热度、拉速等对铝合金铸坯热裂敏感性的影响4，以期为AA5182铝合金在工业生产提供理论依据，得到高质量的铸坯。1半连续铸造过程数学模型1.1假设条件根据铝合金圆坯半连续铸造的特点，对模型进行如下简化假设：（1）铝合金的物性参数仅为温度的函数；（2）考虑由于铸坯收缩形成的气隙对传热产生的影响，连铸机在同一冷却区内均匀冷却，冷却强度采用平均热流密度5；（3）忽略结晶器震动对凝固过程传热的影响；Vol.71 No.12 20221530有色合金表1AA5182合金成分Table 1 Composition of the AA5182 Alloy wB/%Zn0.25Si0.20Ti0.10Cu0.15Al余量Cr0.10Fe0.000.35Mn0.200.50Mg4.05.0（4）进而根据圆坯的对称性，取其1/2的截面根据连铸圆柱坯的实际尺寸建模。所构建的半连续铸造模型如图1所示，该模型由结晶器和引锭装置两部分组成。铸坯形状为圆坯，结晶器外壁厚度为20 mm、高度为80 mm、内直径为320 mm。（a）t=0（b）t=600 s 图1半连铸模型Fig.1 Model of the DC casting1.2初始条件以时间t=0时铝合金液的温度为初始条件，假设结晶器内铝合金液在弯月面处的温度分布均匀，通常认为此刻铝合金液的温度即为浇注温度（即液相温度+过热度）。结晶器和引锭装置的初始温度为环境温度，假设为20。1.3边界条件采用非稳态（瞬态）的方法模拟铝合金半连续铸造过程。在铸造过程中，铸坯模型随铸造过程不断增长，在两层铸坯中不断有新网格生成，以模拟铸坯的不断增长。在整个铸造过程中，各区域的冷却边界条件设定如下。（1）结晶器内的换热q=Cwqwpw（T）w/Seff （1）式中：q为结晶器热流平均密度，W/m2；Cw为水的比热，4 180 J/（kg ）；qw为结晶器冷却水流量，m3/s；pw为冷却水密度，1 000 kg/m3；（T）w为结晶器冷却水进出温度差，；Seff为结晶器有效传热面积，m2。（2）二冷区内的换热在二冷区，通常用综合换热系数表示铸坯在二冷区内的换热6：q=h（TbTw）h=AW n式中：h为综合传热系数，W/（m2）；Tb为铸坯表面温度，；Tw为喷淋水温度，；W为水流密度，L/（m2s）；A、n为系数，通过模型校正确定。由于热裂最容易在铸坯与引锭头相接触的起始阶段产生，因此本文仅以铸造的启动阶段为研究对象，故没有考虑后续的空冷区域的传热情况。1.4材料物性参数AA5182铝合金的主要成分如表1所示。液相线温度为637，固相线温度为527，其热导率、密度、凝固曲线和热焓等如图2所示7。1.5应变分解采用有限元模型计算得到铸坯的应力分布后8，根据刘云庭提出的弹性力学方法9，可以将三维空间的应变分解为沿热梯度的应变及垂直于热梯度方向的应变。假设点P处的热梯度方向PN的方向余弦分别为l1、m1、n1，与热梯度方向垂直的任意方向的三个方向余弦分别为l2、m2、n2，可以得到点P处沿热梯度的应变分量为：N=L1T L2 （7）同样的方法可以得到点P处垂直热梯度的应变分量为：NS=（xl1l2+ym1m2+zn1n2）+xy（l1m2+l2m1）+yz（m1n2+n1m2）+xz（l1n2+n1l2）（8）2三维空间的热裂预测方法本文采用的热裂预测判据是以RDG判据10为基础，结合应变三维分解进行扩展。根据扩展的RDG模型，铸坯凝固过程中液相停止补缩的临界压力Pcr可以表示为式（9）：（2）有色合金2022年第12期/第71卷1531 （a）热导率 （b）凝固曲线 （c）焓值 （d）密度图2AA5182合金的热物性参数随温度的变化Fig.2 Change of thermal properties of the AA5182 alloy with temperature Pcr=（1+）Vsx fs+fs（px+py+pz）dx dx+VTdxG （9）式中：=s/l-1为凝固收缩率；Tf=TL-TS为凝固范围，其中TL、TS分别为液相、固相温度；为黏度；G为温度梯度；px为平行于热梯度的应变率，py、pz为垂直于热梯度的应变率；K为渗透率系数。通过上式计算得到铝合金液相停止补缩的临界压强，进而得到铝合金液相停止补缩的临界温度、临界液相分数flcr，之后就可以通过下式计算孔隙分数。收缩孔隙可以通过下式计算：fp，sh=flcr （10）变形孔隙可以通过下式计算：fp，de，x=（1-fl）d flfp，de，y=（1-fl）d flfp，de，z=（1-fl）d fl式中，为无量纲温度，=（T-Tsol）/Tf。由应变率引起的孔隙fp，sh可通过下式计算：（11）fp，sh =（1-fl）=（1-flcr）（12）通过有限元模拟半连续铸造过程，得到铸坯的温度场、应力应变场随时间的变化规律。根据弹性力学方法计算fs等于0.98时的应变速率。然后将数据导入热裂模型计算铸坯中的孔隙分数分布。最终通过孔隙分数的大小来判定AA5182合金在连铸过程中的热裂倾向性。3模拟结果与讨论3.1铝合金半连续铸造过程模拟对铝合金半连续铸造过程建立有限元模型，得到铸坯内部温度场、固相分数、应力应变场等随时间的变化规律。通过1.5节的应变分解方法可以将空间中应变分解为垂直于热梯度的应变及平行于热梯度的应变。根据预测热裂形成的液相补缩理论，热裂是在合金液凝固末期，由于合金液相无法向固相之间的孔隙中补缩，而在应力的作用下产生11。由于两相区固相分数过小，因此尚不会有热裂产生。本文研究选取半连续铸造的起始段（即铸坯与引锭头相接触的起始段，长度50 cm），求解固相分数fs=0.98时的应变率，如图3所示。Vol.71 No.12 20221532有色合金图3a、b分别为平行于热梯度的应变率px及垂直于热梯度的应变率py（假设py=pz）分布，从图中可以看出，在高度为4045 cm的位置，在整个径向上px、py的值都较高，px的峰值出现在高度为2430 cm直接的位置，而py的峰值则出现在高度为4044 cm的位置。图4为两种应变率沿对称轴的变化规律。从图中可以看出，在对称轴上，px、py有相互抑制的倾向，其中一种应变率增大时，另一种应变率会相对较小。在高度为4 cm、32 cm和46 cm出现了总应变率的三个峰值。3.2孔隙分布预测通过有限元模拟过热度为43（液相线温度为637）、拉速为66 mm/min时的铸造过程，将得到的温度、固相分数、热流密度、应力应变等参数导入热裂预测模型中计算孔隙分布，孔隙度越大的位置越容易产生热裂12。（a）平行于热梯度的应变率 （b）垂直于热梯度的应变率 （c）总应变率图3半连续铸坯的应变率分布Fig.3The distribution of the strain rate of the DC casting ingot （a）收缩孔隙率 （b）变形孔隙率 （c）变形孔隙率（包含负值）（d）总孔隙率图5半连续铸坯孔隙分布Fig.5 The distribution of the porosity of the DC casting ingot图4应变率沿对称轴的变化规律Fig.4 The change of the strain rate along with symmetry axis铸坯内的收缩孔隙率、变形孔隙率及总孔隙率的分布情况如图5所示。从图5a中可以看出，铝合金铸坯的收缩孔隙主要集中于高度为1030 cm时铸坯有色合金2022年第12期/第71卷1533图6半连铸铸坯的冷却速率分布（fs=0.98时）Fig.6 The distribution of the cooling rate of the DC casting ingot（fs=0.98）图7沿中心轴向孔隙率分布情况Fig.7 The change of the porosity along with symmetry axis图8液相高度h对临界固相分数的影响示意图Fig.8 Schematic of the influence of liquid level h on the critical fraction solid的中心部分，峰值位于铸坯的对称轴处。这与蒋会学等人13的研究结论是一致的，在他们的DC铸造实验中，孔隙分数由铸锭表层至心部呈上升趋势。根据凝固收缩补偿理论，在合金凝固的前期，液相可以自由流动补缩，铸坯内一般不会形成孔隙。而在合金凝固的末期，由于枝晶间相互接触交错，阻碍液相的流动补缩。由于合金具有黏性且在固相骨架中流动会受到很大阻力，因此补缩并不会很快完成。在合金凝固末期，若冷却速率增大，固相骨架加速收缩，会导致液相补缩量进一步减小。图6展示了在合金凝固末期（fs=0.98），铸坯内部的冷却速率分布。从图中可以看出，在凝固的最后阶段，铸坯在高度为1030 cm的中心位置的冷却速率最高，正是收缩孔隙率峰值出现的位置。因此，凝固末期的瞬时冷却速率是影响铝合金铸坯内部收缩孔隙分布的重要因素之一。图5b为铝合金铸坯中变形孔隙率分布的情况（仅保留正值）。由于液相无法及时补缩而形成的孔隙，在孔隙周围拉应力的作用下会进一步扩大，而压应力则会起到相反的作用，本文将这种由于应变作用而生成的孔隙称为变形孔隙。图3计算得到