Fe-Cr-Ni-Al合金铸造过程的数值模拟及组织性能.pdf
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1、收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目()通信作者:戴雷(),男,副教授,博士,主要从事超细晶控轧控冷技术和纳米增强相调控及界面研究 E m a i l:d a i h g c o mD O I:/j c n k i i s s n X 引用格式:戴雷,申烁,方东 F e C r N i A l合金铸造过程的数值模拟及组织性能J三峡大学学报(自然科学版),():F e C r N i A l合金铸造过程的数值模拟及组织性能戴雷,申烁方东,(三峡大学 石墨增材制造技术与装备湖北省工程研究中心,湖北 宜昌 ;三峡大学 机械与动力学院,湖北 宜昌 )摘要:利用P r o c a s t软件模拟计算
2、对F e C r N i A l合金的温度场和冷却速率进行分析,通过实验研究各冷却速率对铸态组织、枝晶间距以及显微硬度的影响结果表明:采用阶梯状铸件能够较好地拟合F e C r N i A l合金铸件的温度场分布以及冷却速率的变化情况随着冷却速率的增加,奥氏体相占比减小,铁素体相占比增大,过冷度增加使合金组织一次枝晶间距减小,组织中存在相,铁素体相区与奥氏体相区显微硬度值随冷却速率增大都呈增高趋势关键词:F e C r N i A l合金;数值模拟;微观组织;显微硬度;枝晶间距中图分类号:T B 文献标志码:A文章编号:X()N u m e r i c a l S i m u l a t i
3、o na n dM i c r o s t r u c t u r ea n dP r o p e r t i e so fF e C r N i A lA l l o yC a s t i n gP r o c e s sD A IL e i,S HE NS h u oF AN GD o n g,(H u b e iE n g i n e e r i n gR e s e a r c hC e n t e rf o rG r a p h i t eA d d i t i v eM a n u f a c t u r i n gT e c h n o l o g ya n dE q u i p
4、 m e n t,C h i n aT h r e eG o r g e sU n i v,Y i c h a n g ,C h i n a;C o l l e g eo fM e c h a n i c a l&P o w e rE n g i n e e r i n g,C h i n aT h r e eG o r g e sU n i v,Y i c h a n g ,C h i n a)A b s t r a c t T h e t e m p e r a t u r e f i e l da n dc o o l i n g r a t eo fF e C r N i A l a
5、l l o y i s a n a l y z e db y t h e s i m u l a t i o nc a l c u l a t i o no fP r o c a s ts o f t w a r,a n dt h ee f f e c t so fe a c hc o o l i n gr a t eo nt h ec a s t i n gs t r u c t u r e,t h ed e n d r i t es p a c i n ga n dm i c r o h a r d n e s s a r e s t u d i e de x p e r i m e n
6、t a l l y T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h ed i s t r i b u t i o no f t e m p e r a t u r e f i e l da n d t h ec h a n g eo f c o o l i n gr a t eo fF e C r N i A l a l l o yc a s t i n g s c a nb ew e l l f i t t e db yu s i n g t h e s t e p p e dc a s t i n g s W i t ht h ei n c r e a s e
7、o fc o o l i n gr a t e,t h ep r o p o r t i o no fa u s t e n i t ep h a s ed e c r e a s e sa n dt h ep r o p o r t i o no ff e r r i t ep h a s ei n c r e a s e s M e a n w h i l e,t h ei n c r e a s eo fs u p e r c o o l i n g m a k e st h ep r i m a r yd e n d r i t es p a c i n go fa l l o ys
8、t r u c t u r ed e c r e a s e T h e r ea r et h ep h a s e si nt h et i s s u e,a n dt h em i c r o h a r d n e s sv a l u e so ff e r r i t ep h a s ea n da u s t e n i t ep h a s er e g i o n i n c r e a s ew i t ht h e i n c r e a s eo f c o o l i n gr a t e K e y w o r d s F e C r N i A l a l l
9、 o y;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n;m i c r o s t r u c t u r e;m i c r o h a r d n e s s;d e n d r i t es p a c i n g随着我国经济的快速发展,特别是基础建设行业的兴起,钢铁的需求量日益增大,进而对钢铁质量与产品有了更严格的要求中国是一个铬镍资源非常缺乏的国家,基于我国国情,开始增加对双相不锈钢的研究和使用双相钢是由奥氏体与铁素体所占比例近似的组织构成,既有奥氏体不锈钢良好的韧性和 塑 性,又 有 铁 素 体 不 锈 钢 抗 氧 化 性 好 的 特点综合考虑材料的力
10、学性能、抗氧化特性以及我国镍资源缺乏等问题,提出F e C r N i A l双相不锈钢的方案其在 以上的高温条件下,可形成A lO和C rO薄膜,二者可紧密结合,使其具有良好的抗氧化性能和优秀的可焊性第 卷第期 年 月三峡大学学报(自然科学版)Jo fC h i n aT h r e eG o r g e sU n i v(N a t u r a lS c i e n c e s)V o l N o D e c 目前,对于合金的铸造工艺、数值模拟方面已经开展了一系列的研究 S o n g等研究了选择性激光熔化的工艺参数,并在没有后处理的情况下制备更致密的T i A l V零件,首次基于三维模
11、型进行了温度分布计算胡红军等对军用汽车种不同工艺设计的转向臂进行了数值模拟,根据模拟结果显示的缺陷与缩孔位置对设计方案进行改良,从而减少缺陷以及缩孔的产生,提高生产的经济性 L i等为了预测铸态气缸盖中的气孔缺陷和二次枝晶臂间距,模拟了铝合金气缸盖的低压铸造过程,发现孔隙缺陷主要存在于厚壁和厚薄壁连接处,并与实验结果相一致但是对于小型铸件而言,传统的铸造工艺具有一定的局限性,而且通过实验也很难反映凝固过程的温度梯度分布以及充型凝固过程本文基于P r o c a s t软件研究了铁铬镍铝合金充型凝固过程,对其凝固阶段不同位置的温度场及冷却速率进行探究,得到冷却速率与铸态合金一次枝晶间距之间的关系
12、,同时探究冷却速率对显微组织及硬度的影响,为生产工艺提供一定的理论基础和数据支撑 试验材料及方法采用市售的F e、C r、N i、A l等块体原料,按照表所示的比例称取材料共 g,放入铜坩埚中利用真空电弧熔炼炉,反复熔炼次,然后将熔炼好的成分较为均匀的金属继续进行熔炼与吸铸,待冷却后拆开磨具,得到阶梯试样表F e C r N i A l合金的化学成分元素F eC rN iA l质量分数/用P r o c a s t软件对F e C r N i A l合金凝固过程的温度场及冷却速率进行仿真模拟将阶梯试样沿纵向剖开得到不同厚度的试样,在X Q 镶嵌机中进行镶嵌,用砂纸打磨,抛光机上抛光,腐蚀液为王
13、水进行腐蚀,在 金 相 显 微 镜 下 进 行 组 织 观 察用i m a g eP r op l u s 软件对一次枝晶间距和相占比进行统计和计算,用显微硬度计对合金不同相区的微区硬度进行测量与统计 试验结果与分析 数值模拟分析 凝固过程中厚度对中间部分冷却速率的影响在S o l i d w o r k s软件中分别对试样和模具进行三维建模,如图(a)所示对模型采用非均匀划分形式,在M e s h模块中进行网格划分,将试样网格设置为 mm,模具网格设置为mm,划分完毕后对网格质量进行检查,得到的面网格和体网络模型如图(b)所 示生 成 的 面 网 格 数 为 ,体 网 格 数 为 (a)?(
14、?:mm)(b)?842110101010图试样三维模型及网格划分结果P r o c a s t软件中的条件设置是在C a s t模块中进行的此次模拟采用的是重力浇注模型,重力方向要与浇注方向相一致,由于建模平面选择的不同,X Y Z轴可能会有差异,此模型重力方向选择为Y轴方向因为充型速度很快,在体管理器中设置充型与凝固过程同时进行,将浇注的初始温度设置为 ,模具的初始温度设置为;在界面换热系数管理器中设置换热界面为试样与模具边界,由于试样与模具的材料不同,在凝固过程中会有温度降的出现,选用C O N I C双重节点,换热系数h W/(mK)在工艺条件管理器中对边界条件进行设置,与空气环境接触
15、的面为模具的弯曲侧面,设置为空冷浇注中心选择模型的上表面中心,直径 mm的区域浇注速度设置为 mm/s 模拟参数采用重力浇注模型中软件自带的数据进行计算参数设置完毕以后,对模型进行检查,确认无误后便可进行模拟计算图为铁铬镍铝合金在充型凝固过程中不同时刻的温度场分布云图合金液从 的高温进入模具之中,由于试样尺寸较小,充型时间很短由图可知,在不到 s的时间内就已经充型完毕在整个充型过程中,合金液的温度始终高于液相线温度分别选取铸件纵剖面、mm厚度的中心点A、B、C、D,得到了不同厚度中心点温度随时间变化曲线,如图所示从图可以看出,合金液从浇注温度 冷却到液相线温度 ,A、B、C、D个节点分别用时
16、、s 这表明温度下降的速度非常快到达液相线温度以后,合金液开始进行凝固结晶,在这一阶段中,先进行凝固的合金液在结晶过程中放热,该热量传递到后凝固的三 峡 大 学 学 报(自 然 科 学 版)年 月合金液中,降低了此合金液的冷却和结晶速度0.0032s0.0053s0.0071s0.0081s0.0090s0.0094s0.0107s0.0230s0.4545s1.0106s1.7522s8.0511s图铁铬镍铝合金在充型凝固过程中不同时刻的温度场分布云图ABCD1 6001 4001 2001 000800600400200T/t/s02468ABCD图不同厚度中心点温度随时间变化曲线各节点的
17、冷却速率计算方法为取各节点从液相线温度到固相线温度随时间变化的平均速率,如图所示铸件厚度为、mm所对应的冷却速率分别为 、K/s,冷却速率随厚度增大而减小d/mm012345678935030025020015010050图冷却速率随厚度变化曲线 凝固过程中厚度对边缘部分冷却速率的影响试样模型如图(a)所示试样与模具网格均设为mm,划分完毕后对网格质量进行检查,得到的面网格和体网络模型如图(b)所示生成的面网格数为 ,体网格数为 其他边界条件设定与上述模拟一致(b)?4081(a)?(?:mm)图试样三维模型及网格划分结果图为铁铬镍铝合金在充型凝固过程中不同时刻的温 度 场 分 布 云 图从
18、图 中 可 以 看 出,在 不 到 s的时间内就已经充型完毕(合金液充满整个型腔)在整个充型过程中,合金液的温度始终要高于合金的液相线温度0.0070s0.2256s0.5171s0.9753s0.0038s0.0063s图充型凝固过程温度场分布云图在试样纵剖面边缘部分选取 个点,如图所示,得到了不同厚度温度随时间变化曲线冷却速率的计算同样是选取从液相线温度 到固相线温度 随时间变化的平均速率计算得到的每个点的冷却速率分别为 、K/s,随着厚度的减小,冷却速率逐渐增大,如图所示0 1 23 45 67 892502001501005010 11 12 13LocationPoint1Point
19、2Point3Point4Point5Point6Point7Point8Point9Point10Point11Point12图取点示意图图冷却速率随位置变化曲线 微观组织 X R D分析分别 对 冷 却 速 率 在 K/s范 围 和 K/s范围的两节阶梯试样材料进行X R D测试,得到的X R D谱图如图所示可以看出,F e C r N i A l合金组织中主要为奥氏体相和铁素体相,且随着冷却速率的增大,奥氏体强度减小,铁素体强第 卷第期戴雷,等F e C r N i A l合金铸造过程的数值模拟及组织性能度增大可以判断随着冷却速率的增大,铁素体相所占的比例在增加2030405060708
20、090Intensity/()2图不同冷却速率下F e C r N i A l合金X R D谱图 F e C r N i A l合金边缘部分的金相组织实验主要针对冷却速率在 K/s范围内的试样进行分析图 给出了试样冷却速率在 K/s范围内靠近铜模部分的金相组织由图(a)(d)可看出,试样靠近铜模的部分,在铜模急冷的作用下,凝固组织沿着热流的方向定向生长,一次枝晶的生长和数量很明显,但二次枝晶的数量并不多随着冷却速率的增大,一次枝晶的形貌明显发生了细化,并且一次枝晶的长度也明显增大可以说明冷却速率对于枝晶的生长有着明显的抑制作用图(e)(f)为 K/s和 K/s放大 倍的金相组织,可以看出,随着
21、冷却速率的增大,枝晶形貌明显细化(a)50.7 K/s(b)59.3 K/s(c)65.2 K/s(d)90.5 K/s(e)?(50.7 K/s)(f)?(90.5 K/s)图 不同冷却速率下边缘部分合金组织 F e C r N i A l合金中间部分的金相组织图 给出了试样冷却速率在 K/s范围内中间部分的金相组织可以看出,中间部分合金的组织形貌与边缘部分组织形貌差别很大,枝晶的生长方向变得没有规律,二次枝晶的生长变得明显随着冷却速率的增加,合金组织形貌变得不规则,可能是由于在冷却过程中存在一定的温度梯度,导致各相成分不均匀,使其发生不平衡结晶同时,由于冷却速率越大,过冷度就越大,导致固溶
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