7000系鋁合金厚板噴淋淬火的數(shù)值模擬與分析

任偉才, 張 磊, 孫兆霞

(東北輕合金有限責(zé)任公司,哈爾濱 150060)

7000系鋁合金厚板噴淋淬火的數(shù)值模擬與分析

任偉才, 張 磊, 孫兆霞

(東北輕合金有限責(zé)任公司,哈爾濱 150060)

固溶處理淬火工藝是獲得高性能鋁合金板的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。筆者從導(dǎo)熱微分方程入手,建立了溫度場的數(shù)學(xué)模型。利用ANSYS有限元軟件,分別對 7000系合金厚板傳統(tǒng)淬火工藝以及噴淋淬火工藝過程中的溫度場進行了數(shù)值模擬,獲得了瞬態(tài)溫度場解和淬火冷卻曲線,比較分析了兩種淬火工藝溫度場對冷卻效果的影響。結(jié)果表明:7000系合金厚板的輥底式噴淋淬火工藝優(yōu)于傳統(tǒng)工藝,能夠獲得冷卻強度大,所需時間短和均勻性好的效果。

7000系合金厚板;噴淋淬火;有限元法;溫度場

0 引 言

高強度鋁合金預(yù)拉伸厚板是以航空航天用材為背景研制并發(fā)展起來的一類鋁合金材料,長期以來被廣泛用于各種飛機機身、機翼梁、機艙壁板和火箭中高強度結(jié)構(gòu)零件等的制造,是世界各國航空航天工業(yè)中不可缺少的重要材料[1-5]。固溶處理淬火工藝是 7000系超高強鋁合金厚板獲得高強度低應(yīng)力產(chǎn)品的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前,輥底爐淬火技術(shù)已普遍被航空用鋁合金厚板生產(chǎn)廠所采用,可以實現(xiàn)極短的淬火轉(zhuǎn)移時間,獲得高過飽和度固溶體,且殘余應(yīng)力較小。

為使淬火工藝獲得更好的冷卻效果,筆者建立了厚板淬火過程的數(shù)學(xué)模型,利用ANSYS有限元分析軟件,分別對 7000系合金厚板的輥底式噴淋淬火和傳統(tǒng)淬火工藝 (將厚板放入水中進行淬火)過程進行了熱模擬,計算出瞬態(tài)溫度場及淬火冷卻曲線。

1 數(shù)學(xué)模型

式 (1)為淬火過程的瞬態(tài)熱傳導(dǎo)方程[2,6]:

式中:ρ——密度;

c——比熱容;

k——熱傳導(dǎo)系數(shù);

T——溫度;

Q——相變潛熱。

無限大厚板的坐標(biāo)系統(tǒng)如圖 1所示。鋁合金厚板的實際物理模型為長L=8 m,寬W=1.12 m,厚e=40 mm。在進行有限元求解時,可以作如下假設(shè)[7-9]:(1)板材的長度和寬度遠(yuǎn)大于其厚度,可近似為一塊無限大平板,板材的上下表面受冷卻作用,散熱主要集中在厚度方向上;因此將厚板簡化為二維模型。(2)板材上下表面對稱冷卻。(3)板材的熱傳導(dǎo)性能為各向同性。(4)淬火過程中相變潛熱為零,即Q=0[1]。

基于以上假設(shè),式(1)變?yōu)?

?

式中:——厚板與淬火介質(zhì)之間的換熱系數(shù);

Ts——厚板表面溫度;

T∞——淬火介質(zhì)溫度;

e——厚板的厚度。

2 數(shù)值模擬

2.1 模擬參數(shù)的確定

2.1.1 淬火初始條件

7000系鋁合金厚板淬火過程中的外形尺寸設(shè)計為 8 000 mm×1 120 mm×40 mm,厚板的淬火溫度為 470℃,淬火水溫度為 20℃。

2.1.2 材料的性能參數(shù)

文中選擇 7075合金為對象進行研究,7075合金的物理性能見表 1[6]。

表 1 7075鋁合金的物理性能Table 1 Physical properties of AA7075

圖1 無限大厚板的坐標(biāo)系統(tǒng)Fig.1 Coordinate system for inf in ite plate of thickness

2.1.3 淬火過程的工藝參數(shù)

輥底式噴淋淬火過程分為兩個區(qū)域,即先在高壓區(qū)進行淬火,然后在低壓區(qū)淬火,具體工藝參數(shù)見表 2。噴淋淬火是多股射流同時噴至 7075厚板的上下表面,假定噴水量在整個板面上均勻分布;且上、下表面的冷卻效果一致。

表2 輥底式噴淋淬火工藝參數(shù)Table 2 Process ing parameters of roller-type spray quench ing

傳統(tǒng)淬火工藝中厚板與冷卻水間的換熱系數(shù)取自文獻[10]。

2.2 計算機模擬的實現(xiàn)

模擬厚板寬度 -厚度平面上的溫度場分布幾何模型如圖2所示。

圖2 溫度場模擬的幾何模型Fig.2 Geometricalmodel of temperature field s imulation

ANSYS軟件進行求解的方法是:建立厚板 (W/2)×(h/2)面模型,采用二維 8節(jié)點 plane77溫度單元,輸入模擬計算所需要的相關(guān)參數(shù)進行有限元計算,得出 7075厚板橫切面的瞬態(tài)溫度場以及所有節(jié)點的溫度解。

3 結(jié)果與分析

3.1 溫度場分布

圖 3為厚板橫切面上局部放大的溫度場云圖。圖 3a為采用傳統(tǒng)工藝淬火,圖 3b為采用輥底式噴淋淬火。圖 3中可以看出,在淬火進行到1 s時,采用傳統(tǒng)淬火工藝和輥底式噴淋淬火工藝條件下,7075合金厚板的芯部溫度分別為 461.006和 459.412℃,差別很小;而厚板表面的溫度卻差別很大,分別為352.013和 290.269℃,說明在淬火時間較短的情況下,板材表面快速冷卻,但芯部仍然處于高溫狀態(tài)。在淬火進行到10 s時,傳統(tǒng)淬火工藝條件下表面和芯部溫度均明顯高于輥底式噴淋淬火工藝;此時兩種工藝條件下所對應(yīng)的芯部溫度分別為 226.280和144.924℃,表面溫度分別為 168.376和 84.454℃。

圖3 淬火工藝厚板橫切面的溫度場Fig.3 Temperature fields in cross section of plate

3.2 冷卻曲線

利用 OR IG IN工具軟件,對厚板的表面和心部節(jié)點的溫度解進行數(shù)據(jù)處理,可分別獲得傳統(tǒng)淬火(圖 4a)和輥底式噴淋淬火(圖 4b)的冷卻曲線。

從圖 4中可以明顯看出,在淬火的前期 (0～12 s),輥底式淬火冷卻曲線的斜率明顯大于傳統(tǒng)淬火冷卻曲線,這說明前者的冷卻速度明顯大于后者;這是因為采用傳統(tǒng)淬火工藝進行淬火時,很容易使板材周圍的液體汽化形成一層蒸汽膜覆蓋在板材表面,使板材與冷水隔開,降低了冷卻速度,而輥底式噴淋淬火采用高壓噴水冷卻,強化了板材表面水的沖擊和流動,從而大大地改善了冷卻條件。此外,從圖 4中還可以看出,厚板從淬火溫度冷卻至 50℃時,輥底式噴淋淬火所需時間明顯小于傳統(tǒng)淬火工藝。

圖4 兩種工藝的淬火冷卻曲線Fig.4 Cooling curve in both processes

淬火轉(zhuǎn)移時間和板材淬火的整體均勻性也是影響厚板淬火效果的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)的固溶淬火工藝主要是采用鹽浴加熱、整體淬火;從鹽浴中用吊車將厚板吊出轉(zhuǎn)移到水中的淬火轉(zhuǎn)移時間很難由人工準(zhǔn)確地控制在理想范圍內(nèi),有不確定因素;在水中淬火時,完全靠板材與冷卻水之間的熱交換而自然冷卻,難以形成均勻的冷卻過程,使得淬火后的板材內(nèi)部應(yīng)力分布很不均勻;板材變形較大,在隨后的精整過程中易造成表面擦、劃傷等缺陷,不利于板材的矯平[11]。而輥底式噴淋淬火工藝采用輥底式空氣淬火加熱爐,整個工藝過程簡單,板材單片加熱及單片冷卻,可被均勻快速加熱,淬火轉(zhuǎn)移時間短且能精確地控制;冷卻強度大,均勻性好,使得板材具有優(yōu)良的綜合性能。

4 結(jié)束語

7000系鋁合金中厚板采用輥底式噴淋淬火與傳統(tǒng)的淬火工藝相比,板材冷卻速率大,所需時間短,淬火效果好,是獲得高性能低應(yīng)力高強鋁合金預(yù)拉伸中厚板的重要工藝環(huán)節(jié)。

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Numerical s imulation and analysis of process of 7000 series alloy thick plates roller-type spray quenching

REN W eicai,ZHANG Lei,SUN Zhaoxia
(NotheastLightAlloy Company,Harbin 150060,China)

Solution treatment quenching holds a key to achieving high performance aluminum alloy plate.This paper introduces a theoretic model of temperature field established depending on the the rmal conduction differential equation.The paper gives a numerical analysis of transient temperature fields and cooling curves in the process of 7000 series aluminum alloy thick plates roller-type spray quenching and conventional quenching in water by using the finite element software ANSYS,and comparison of the cooling effect under two quenching processes.The results indicate that the process of 7000 series aluminum alloy thick plates roller-type spray quenchingwhich is better than conventional quenching,gives a greater cooling intensity,less time short and better uniformity.

7000 series alloy thick plate;roller-type spray quenching;FEM;temperature field

TG156.31

A

1671-0118(2010)02-0124-03

2010-01-14

任偉才(1979-),男,吉林省長春人,助理工程師,研究方向:鋁合金熱處理工藝,E-mail:renweicai2004@126.com。

(編輯徐 巖)