Mg-Gd-Y-Zr合金凝固組織特征參數(shù)模擬及在航天構件上的應用

王旭陽，趙雪婷，袁 勇，肖 旅，王先飛，李中權，韓志強

(1.清華大學 材料學院，北京 100084； 2.清華大學 先進成形制造教育部重點實驗室，北京 100084；3.上海航天精密機械研究所，上海 201600)

0 引言

鎂合金作為一種重要的輕金屬材料，具有密度小、比剛度大、易于切削加工等優(yōu)點，在航空航天領域中有著重要的應用[1-2]。其中，Mg-Gd-Y-Zr合金因在高溫環(huán)境下具有良好的抗蠕變性和耐腐蝕性而被用于制造重要的航天裝備[3-4]，如艙體結構件。然而，這類鑄件形狀復雜、壁厚不均勻，在實際生產(chǎn)中鑄件不同部位的冷卻速率差異較大，給組織性能的控制帶來挑戰(zhàn)。很多學者針對冷卻速率對Mg-Gd-Y-Zr合金凝固組織(尤其是晶粒尺寸和第二相體積分數(shù))的影響開展了較深入的研究[5-6]。ZHOU等[7]研究發(fā)現(xiàn)，在17.4～253.5 K/s的冷卻速率范圍內，隨著冷卻速率的提高，Mg-Gd-Y-Zr合金的平均晶粒尺寸減小，第二相體積分數(shù)下降，且合金的微觀偏析程度減小。除冷卻速率外，Zr元素作為影響晶粒尺寸的重要因素也引起了許多學者的關注[8]。例如，JIANG等[9]研究了Zr含量對砂型鑄造Mg-Gd-Y-Zr合金的微觀組織、拉伸性能和疲勞行為的影響。研究結果表明：當Zr含量從0.3%增加到0.5%時，晶粒尺寸減小，且相較于疲勞性能，Zr含量對合金拉伸性能的影響更為顯著。彭卓凱等[10]提出Zr含量的提高可有效促進異質形核，增大形核密度，實現(xiàn)組織晶粒的細化。然而，這些研究更多關注的是冷卻速率和Zr含量對Mg-Gd-Y-Zr合金微觀組織特征的定性影響，針對航天實際用特定成分合金的定量關系的研究還較少。

近年來，隨著計算機技術的不斷發(fā)展，鑄造過程宏微觀計算模擬的研究和應用得到迅速發(fā)展。ProCAST?作為目前鑄造過程宏觀模擬的主要商用軟件之一，被應用于凝固過程模擬和宏觀缺陷預測[11-14]。如LI等[15]基于實驗結果，利用ProCAST?軟件模擬WE54合金的凝固過程，并確定了WE54合金砂型鑄造的Niyama判據(jù)值，以此預測凝固過程中WE54合金的縮松縮孔缺陷。目前，很多研究關注流場、溫度場的模擬，以及宏觀缺陷的預測。工程實際中，除缺陷的預測外，組織特征(如晶粒尺寸和第二相體積分數(shù))的預測也非常重要。對于Mg-Gd-Y-Zr合金而言，冷卻速率與Zr含量對晶粒尺寸和第二相體積分數(shù)有重要影響。如果能確定凝固組織特征參數(shù)與工藝條件之間的定量關系，并將其與宏觀溫度場模擬結果相結合，則能有效預測構件凝固組織特征參數(shù)的分布，這對工藝設計具有重要意義。

本研究中，設計澆鑄Mg-Gd-Y-Zr合金階梯形鑄件，并采用熱電偶測量凝固過程中階梯形鑄件不同厚度處的溫度變化。通過觀察不同冷卻速率下合金的凝固組織，確定凝固組織中晶粒尺寸和第二相體積分數(shù)與冷卻速率的定量關系。采用ProCAST?軟件模擬典型航天構件的凝固過程，獲得構件不同部位的冷卻速率。利用實驗獲得的定量關系，模擬典型航天構件上晶粒尺寸和第二相體積分數(shù)的分布。

1 研究方法

1.1 實驗方法

通過熔煉純鎂錠(99.95%)和中間合金(Mg-25Gd，Mg-25Y，Mg-30Zr)獲得成分如表1所示的Mg-Gd-Y-Zr合金?？紤]典型Mg-Gd-Y-Zr合金鑄件的主要壁厚范圍，澆鑄如圖1所示的5級階梯形鑄件。通過布置于鑄件中不同位置的熱電偶記錄澆鑄過程中相應位置的溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，獲得了不同位置的冷卻速率。使用線切割方法在每個測溫點位置附近選取邊長為6 mm的立方塊樣品，用于凝固組織特征觀察。其中，鑄態(tài)樣品經(jīng)混合溶液處理后，可在金相顯微鏡下觀察到第二相分布和大小，通過圖像處理軟件可對金相照片中的第二相體積分數(shù)進行統(tǒng)計。鑄態(tài)組織的金相照片中晶界不明顯，不利于統(tǒng)計合金的晶粒尺寸。經(jīng)文獻[16]調研可知，Mg-Gd-Y-Zr合金在510 ℃下進行固溶，鑄態(tài)組織中非均勻的溶質溶解于初生相中，且晶粒不會明顯長大，經(jīng)溶液腐蝕后，晶界會比較明顯，有利于統(tǒng)計晶粒尺寸。因此，本研究采用了在500 ℃下保溫6 h的固溶方案。

表1 Mg-Gd-Y-Zr合金成分

圖1 階梯形鑄件的示意圖(mm)Fig.1 Schematic diagram of casting with five steps (mm)

1.2 模擬方法

圖2 典型構件的數(shù)模示意圖Fig.2 Geometry model of typical casting

為實現(xiàn)典型構件鑄造過程的數(shù)值模擬和凝固組織特征預測，需要對典型構件進行數(shù)模修整、網(wǎng)格優(yōu)化、邊界條件設定、數(shù)據(jù)處理等。使用UG?軟件補充構建砂型數(shù)模，并對數(shù)模內部存在的不合理幾何元素進行修改，以提高網(wǎng)格劃分的可行性。圖2為典型構件的數(shù)模示意圖。完成數(shù)模構建及修整后，進行2D網(wǎng)格劃分及檢測，進而生成3D網(wǎng)格。針對典型構件進行結構尺寸分析，鑄件圓筒部分的高厚比超過35，且平均壁厚不超過20 mm。進行鑄件劃分網(wǎng)格時需要注意：最薄壁厚處網(wǎng)格層數(shù)不少于3層；不同密度網(wǎng)格的相互融合性；計算精度與計算效率的平衡。因此在優(yōu)化時，首先需要確定主要薄壁厚度，優(yōu)先設置網(wǎng)格尺寸；其次采用最小尺寸的整數(shù)倍進行不同位置的網(wǎng)格劃分，以確保不同尺寸網(wǎng)格的有效連接性；最后擴大砂型表面的網(wǎng)格尺寸，以實現(xiàn)從壁厚表面到砂型表面網(wǎng)格尺寸增大的效果，有效減少小尺寸網(wǎng)格的數(shù)量，縮短計算時間。典型構件的2D網(wǎng)格劃分和3D網(wǎng)格劃分結果如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分結果Fig.3 Results of mesh generation

設置初始條件和邊界條件，包括重力大小、重力方向、材料屬性、熱交換邊界、充型條件等，最終實現(xiàn)對充型流動和凝固傳熱過程的模擬。模擬完成后，根據(jù)個性化需求進行結果的可視化。

2 結果與討論

2.1 冷卻速率和Zr含量對晶粒尺寸的影響

對熱電偶采集到的冷卻曲線中的溫度關于時間進行求導后，可獲取冷卻速率曲線。結合Mg-Gd-Y-Zr合金凝固過程中冷卻速率變化特點，可求解階梯形鑄件內不同測溫點處的冷卻速率。統(tǒng)計金相照片中10個隨機視野的晶粒尺寸并求取平均值，總結確定Zr含量和冷卻速率對晶粒尺寸的影響。圖4為合金固溶處理后的金相圖片。結果表明：隨著冷卻速率的增大，晶粒尺寸減小。當冷卻速率相差不大時，隨著Zr含量增多，晶粒尺寸減小。

圖4 Mg-Gd-Y-0.58Zr合金固溶處理后的微觀組織(冷卻速率：6.7 K/s)Fig.4 Microstructure of Mg-Gd-Y-0.58Zr alloyafter solution treatment (cooling rate: 6.7 K/s)

通過數(shù)據(jù)擬合，可得不同Zr含量的Mg-Gd-Y-Zr合金的晶粒尺寸與冷卻速率之間的定量關系為

l=(-18.51ωZr+78.36)exp(-0.03Rc)

(1)

式中：l為晶粒尺寸，單位為μm；ωZr為Zr元素的質量分數(shù)，單位為%；Rc為冷卻速率，單位為K/s。

2.2 冷卻速率對第二相的影響

Mg-Gd-Y-Zr合金凝固過程中，隨著溫度的降低，Mg初生相析出，當溫度降低至共晶反應溫度時，共晶相析出。共晶中的α-Mg容易依附于初生相，β-Mg24RE5則以第二相的形式分布于鑄態(tài)組織中。前期研究已針對固溶處理后的金相進行第二相的組織觀察，統(tǒng)計不同冷卻速率條件下的第二相體積分數(shù)。結果表明：當冷卻速率從2.6 K/s提高至11.0 K/s時，第二相體積分數(shù)從12.8%降低至4.4%，且第二相更加彌散地分布在晶界上[6]。通過擬合實驗數(shù)據(jù)可獲得第二相體積分數(shù)與冷卻速率的定量關系為

f=0.081(Rc)2-2.012 7Rc+16.83

(2)

式中：f為第二相體積分數(shù)，單位為%。

2.3 典型構件組織特征參數(shù)模擬

參考典型構件的生產(chǎn)工藝參數(shù)，以0.5 m/s的入口速度澆注初始溫度為720 ℃的Mg-Gd-Y-Zr合金。設置樹脂砂型初始溫度與室溫一致，均為20 ℃，鑄件與砂型的界面換熱系數(shù)設置為200 W/(m2·K)。通過調用低壓鑄造模式進行充型過程的模擬，結果如圖5所示。

圖5 典型構件充型模擬結果Fig.5 Filling simulation results of typical component

充型過程總耗時5.089 7 s。高溫金屬液從立縫進入圓筒部分時出現(xiàn)了局部湍流，隨著充型時間的增加，當液面基本保持一致后，金屬液流動平穩(wěn)。在充型過程中，澆道溫度較高，而鑄件圓筒部分中厚度較小的部分，如小平臺和筋板位置，溫度下降較快。但直至充型完成時，鑄件內的金屬液溫度均未降至固相線以下。不考慮冷卻速率對固相線和液相線溫度的影響，冷卻速率為

Rc=(TL-TS)/Δt

(3)

式中：TL和TS分別為液相線溫度和固相線溫度，單位為K；Δt為凝固時間，單位為s。

將ProCAST?軟件計算所得的Mg-Gd-Y-Zr合金固液相線溫度代入式(3)，得到如圖6所示的冷卻速率分布。

圖6 冷卻速率分布Fig.6 Distribution of cooling rates

鑄件主要與樹脂砂進行換熱，鑄件整體熱量耗散較慢，冷卻速率較小，最大冷卻速率為0.793 K/s。鑄件圓筒主體的壁厚較為均勻，冷卻速率差異較小，但在圓筒主體中遠離立縫處仍存在基本呈上下對稱的冷卻速率較大的區(qū)域，這主要是因為該區(qū)域的鑄件厚度較小，且金屬液從立縫流動到該區(qū)域的流程較長，流動阻力較大。此外，位于鑄件圓筒內表面處的薄壁筋板和小凸臺冷卻速率較大，小凸臺棱角處的冷卻速率為0.793 K/s。將冷卻速率與晶粒尺寸、冷卻速率與第二相體積分數(shù)之間的定量關系同宏觀模擬的溫度場結果相關聯(lián)，可以獲得典型構件的晶粒尺寸和第二相體積分數(shù)的分布狀況，如圖7，8所示。

圖7 晶粒尺寸分布Fig.7 Distributions of grain sizes

圖8 第二相體積分數(shù)分布Fig.8 Distributions of volume fractions of secondary phase

鑄件整體的晶粒尺寸范圍為66.035～67.624 μm，其中圓筒部分的冷卻速率大于澆注系統(tǒng)部分，因此其晶粒尺寸較小。由圖7可知：圓筒部分的晶粒尺寸小于67.412 μm。圓筒主體部分靠近立縫處的晶粒尺寸較大，而在基本呈上下對稱的冷卻速率較大的區(qū)域內，晶粒尺寸低至66.671 μm以下。圓筒內壁處的薄壁小凸臺厚度較小，與砂型接觸的表面積大，晶粒尺寸最小可達66.035 μm。鑄件整體的第二相體積分數(shù)分布在15.286%～16.830%，澆注系統(tǒng)部分和圓筒部分第二相體積分數(shù)相差較小。其中，圓筒部分中靠近澆注系統(tǒng)立縫處的鑄件冷卻速率較小，其第二相體積分數(shù)可達16.418%以上，較大于圓筒主體的其他部分的第二相體積分數(shù)。圓筒內壁處的小凸臺冷卻速率分布不均勻，第二相體積分數(shù)變化較大，變化范圍約在15.286%～16.006%。

3 結論

本文通過澆鑄階梯形鑄件，獲得了不同冷卻速率條件下Mg-Gd-Y-Zr合金樣品。通過統(tǒng)計不同冷卻速率條件下樣品的晶粒尺寸和第二相體積分數(shù)，確定了Mg-Gd-Y-Zr合金的晶粒尺寸和第二相體積分數(shù)與冷卻速率的經(jīng)驗性定量關系。在晶粒尺寸的關系式中考慮了冷卻速率和Zr含量對Mg-Gd-Y-Zr合金晶粒尺寸的共同影響。采用ProCAST?軟件模擬了典型航天構件充型和凝固過程的溫度場，計算出不同部位的冷卻速率，并基于Mg-Gd-Y-Zr合金凝固組織與工藝條件的經(jīng)驗性定量關系，獲得了典型航天構件上晶粒尺寸和第二相體積分數(shù)的分布，討論了典型構件凝固組織特征參數(shù)的分布特點。