基于智鑄超云—壓鑄領(lǐng)域?qū)I(yè)CAE云平臺(tái)，采用扣手鋁合金鑄件為研究對(duì)象，模擬分析了壓射工藝參數(shù)對(duì)半固態(tài)流變壓鑄充型過(guò)程的影響，優(yōu)選出了一種最佳的勻加速料筒孕育半固態(tài)流變壓鑄工藝方案進(jìn)行實(shí)際產(chǎn)品的生產(chǎn)試驗(yàn)。結(jié)果表明：采用五段低速射出模式B壓鑄工藝方案，可使合金液在壓室中流動(dòng)平穩(wěn)，呈層流狀態(tài)，沒(méi)有出現(xiàn)紊流；根據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化了料筒孕育半固態(tài)流變壓鑄工藝，成功實(shí)現(xiàn)了扣手鑄件的半固態(tài)流變壓鑄成形，得到了合格的壓鑄件，組織中初生α-Al相主要呈近球狀或顆粒狀，內(nèi)部無(wú)氣孔缺陷，可進(jìn)行T6處理和焊接加工。
壓力鑄造作為一種生產(chǎn)率高、成本低、尺寸精度高的近凈成形方法，在汽車、電子通信、儀器儀表和五金電器等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用和迅速發(fā)展。在傳統(tǒng)壓鑄過(guò)程中，液態(tài)熔體會(huì)以紊流狀態(tài)充填型腔，使得型腔內(nèi)氣體無(wú)法及時(shí)排出而卷入合金內(nèi)部，形成氣孔缺陷。氣孔減少了鑄件的有效承載面積，造成應(yīng)力集中，從而降低鑄件力學(xué)性能。Dong 等認(rèn)為壓鑄件內(nèi)部的氣孔問(wèn)題是目前限制壓鑄技術(shù)進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域的主要問(wèn)題。
為了消除壓鑄件的內(nèi)部氣孔缺陷，半固態(tài)壓鑄新技術(shù)獲得了越來(lái)越多的研究者關(guān)注。在半固態(tài)壓鑄過(guò)程中，由于金屬漿料固相率大、粘度高、晶粒圓整，在合適的壓射參數(shù)下金屬漿料將以接近層流方式流動(dòng)充滿型腔，充型過(guò)程平穩(wěn)、均勻，可以獲得無(wú)氣孔缺陷的壓鑄件。半固態(tài)成形技術(shù)有諸多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用于汽車、電子通信、電器、航空航天及醫(yī)療等領(lǐng)域。目前已經(jīng)形成了攪拌法、自孕育法、GISS、RSF、剪切低溫澆注法和蛇形通道法等流變壓鑄技術(shù)。雖然半固態(tài)成形技術(shù)已經(jīng)得到應(yīng)用，但半固態(tài)成形技術(shù)無(wú)論在理論上還是技術(shù)上，都需要進(jìn)一步完善與發(fā)展。
目前，大部分半固態(tài)流變壓鑄技術(shù)都存在半固態(tài)漿料的制造環(huán)節(jié)，在制漿過(guò)程難免會(huì)產(chǎn)生一些卷氣、氧化等現(xiàn)象，特別是中小型鑄件，由于制漿量小，溫度不易控制，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量。為此，本文將針對(duì)中小型鋁合金鑄件，基于智鑄超云—壓鑄領(lǐng)域?qū)I(yè)CAE云平臺(tái)，通過(guò)對(duì)半固態(tài)流變壓鑄充填過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬優(yōu)化，開(kāi)發(fā)了無(wú)制漿環(huán)節(jié)的勻加速料筒孕育半固態(tài)流變壓鑄新技術(shù)，并在相關(guān)高強(qiáng)高導(dǎo)類鋁合金壓鑄件中獲得了實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用。
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壓鑄件分析及工藝設(shè)計(jì)
本文以一個(gè)形狀簡(jiǎn)單、有T6處理要求的結(jié)構(gòu)件扣手為研究對(duì)象，探索勻加速料筒孕育半固態(tài)流變壓鑄新技術(shù)?？凼骤T件三維形狀如圖1所示，該鑄件尺寸不大，但壁厚均勻，薄壁處約為3mm，最大外形尺寸約為136mm×49mm×23.5mm，材質(zhì)采用AlSi9Cu3合金，非常適合壓力鑄造，材料的物性參數(shù)為：密度2.5 g/cm³，液相線溫度595 ℃，固相線溫度540 ℃。根據(jù)現(xiàn)有壓鑄機(jī)噸位和鑄件的投影面積，選擇一模一腔，內(nèi)澆口厚度為2.5mm，寬度為125 mm，壓射沖頭的直徑為50mm ，其詳細(xì)壓鑄工藝方案如 圖2所示。
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勻加速半固態(tài)流變壓鑄工藝及模擬
應(yīng)用智鑄超云—壓鑄領(lǐng)域?qū)I(yè)CAE云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)值模擬。先用三維造型軟件UG進(jìn)行三維圖的造型并生成STL文件，然后上傳至智鑄超云的云計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行前置處理實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格的自動(dòng)剖分，對(duì)鑄件壓鑄充型過(guò)程進(jìn)行了模擬。分別設(shè)置了如圖3所示的四種壓射曲線對(duì)扣手鑄件的壓鑄過(guò)程進(jìn)行了模擬，對(duì)壓射過(guò)程中合金液在壓室中的流動(dòng)情況進(jìn)行分析。
單段低速射出模式壓鑄工藝方案的充型過(guò)程模擬結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，在壓射初期，由于是從零直接加速到低速速度，加速度過(guò)大，從而會(huì)在沖頭前端形成渦流，如圖4a-b所示，而且合金液到達(dá)并充滿壓室分流錐位置時(shí)，靠近沖頭前端位置卻還沒(méi)有充滿，從而造成合金液出現(xiàn)回流，如圖4c所示。壓射過(guò)程壓室中產(chǎn)生的渦流和最后的回流現(xiàn)象，都容易裹入氣體和氧化夾雜等，而且會(huì)在最后的高速壓射過(guò)程帶入鑄件的任意位置，從而影響鑄件的質(zhì)量。
圖5所示為兩段低速射出模式壓鑄工藝方案的充型過(guò)程模擬結(jié)果。由圖可見(jiàn)，其充填過(guò)程與單段低速射出模式基本一致，合金液在壓室的運(yùn)動(dòng)過(guò)程仍然存在渦流和回流現(xiàn)象。五段低速射出模式A壓鑄工藝方案的充型過(guò)程模擬結(jié)果如圖6所示。從圖中可看出，在壓射初期，合金液在壓室中平穩(wěn)流動(dòng)，沒(méi)有出現(xiàn)紊流，如圖6a所示；當(dāng)前端合金液接近分流錐位置時(shí)，會(huì)逐漸形成一定的渦流裹氣現(xiàn)象，如圖6b-c所示。五段低速射出模式B壓鑄工藝方案的充型過(guò)程模擬結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看出，整個(gè)壓射過(guò)程合金液在壓室中流動(dòng)平穩(wěn)，呈層流狀態(tài)，沒(méi)有出現(xiàn)紊流，從而避免了在壓室中裹入氣體或氧化夾渣等。基于數(shù)值模擬結(jié)果，提出了半固態(tài)制漿與壓鑄成形一體化的勻加速料筒孕育半固態(tài)流變壓鑄工藝。通過(guò)控制合金液出爐溫度和料筒的溫度，使得合金液澆入料筒后，會(huì)形成一定的固相，然后，在多段低速壓射過(guò)程形成的固相進(jìn)一步增加，同時(shí)流動(dòng)進(jìn)入合金液中成為異質(zhì)形核的晶核，最后進(jìn)入型腔后，由于大量晶核的存在，會(huì)抑制枝晶的生長(zhǎng)，從而形成非枝晶的半固態(tài)組織。
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生產(chǎn)驗(yàn)證
根據(jù)五段速度射出模式B的壓射工藝曲線，應(yīng)用勻加速料筒孕育半固態(tài)流變壓鑄工藝進(jìn)行扣手鑄件的實(shí)際生產(chǎn)試驗(yàn)，并同單段低速射出模式的普通壓鑄產(chǎn)品進(jìn)行了比較分析。鋁合金液澆注溫度為640 ℃，壓射沖頭的最高低速速度為0.7 m/s、高速速度為2 m/s，模具預(yù)熱溫度為200 ℃。采用該壓鑄工藝獲得了外形輪廓清晰、表面光滑、尺寸精度高、無(wú)缺陷的扣手壓鑄件，如圖8所示。通過(guò)對(duì)壓鑄件進(jìn)行解剖分析可以看到，采用普通壓鑄工藝的鑄件剖面存在大量的氣孔缺陷，如圖9a所示；而半固態(tài)壓鑄件的剖面沒(méi)有發(fā)現(xiàn)氣孔，如圖9b所示，另外通過(guò)對(duì)鑄件整體的X光透射探傷表明，扣手鑄件內(nèi)部無(wú)明顯縮松、縮孔、氣孔和氧化夾雜等缺陷。圖10為扣手鑄件的鑄態(tài)和T6的微觀組織。從圖中可以看出，初生α-Al相呈近球狀，晶粒細(xì)小，分布均勻，具有較明顯的半固態(tài)組織特征。另外還對(duì)鑄件進(jìn)行了T6處理和焊接試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)535 ℃、8 h的固溶處理后，可以明顯看到，普通壓鑄件表面存在較多的鼓泡現(xiàn)象，而半固態(tài)鑄件表面沒(méi)有發(fā)現(xiàn)，如圖11所示；同樣，在焊接后普通壓鑄件的焊縫附近存在鼓泡現(xiàn)象，而半固態(tài)鑄件不存在，如圖12所示。由此可見(jiàn)，采用勻加速料筒孕育半固態(tài)流變壓鑄工藝進(jìn)行壓鑄件的生產(chǎn)，可以有效消除普通壓鑄件的內(nèi)部氣孔問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了壓鑄件的T6熱處理和焊接加工。
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結(jié)論
（1）通過(guò)采用智鑄超云—壓鑄領(lǐng)域?qū)I(yè)CAE云平臺(tái)對(duì)設(shè)計(jì)的不同壓射工藝方案進(jìn)行壓射過(guò)程模擬分析，結(jié)果表明，采用五段低速射出模式B壓鑄工藝方案時(shí)，可使合金液在壓室中流動(dòng)平穩(wěn)，呈層流狀態(tài)，沒(méi)有出現(xiàn)紊流，從而避免了在壓室中裹入氣體或氧化夾渣等。
（2）根據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化了料筒孕育半固態(tài)流變壓鑄工藝，采用五段低速射出模式B壓鑄工藝方案成功實(shí)現(xiàn)了扣手鑄件的半固態(tài)流變壓鑄成形，得到了合格的壓鑄件，鋁液澆注溫度為640 ℃，壓射沖頭的最高低速速度為0.7 m/s、高速速度為2 m/s，模具預(yù)熱溫度為200 ℃。
（3）扣手普通壓鑄件的組織主要呈枝晶狀或薔薇狀，內(nèi)部存在較多的氣孔缺陷，不能進(jìn)行T6處理和焊接加工；而扣手半固態(tài)壓鑄件內(nèi)部無(wú)氣孔缺陷，組織中初生α-Al相主要呈近球狀或顆粒狀，可進(jìn)行T6處理和焊接加工。
作者：
龍文元
南昌航空大學(xué)航空制造工程學(xué)院
龔杰 宋國(guó)金
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本文來(lái)自：鑄造雜志，《壓鑄周刊》戰(zhàn)略合作伙伴
