0引言

超高强度铝合金，其密度较低、耐腐蚀性、成型性、机械性能及热加工性能较好，而且具有较高的结构强度、断裂韧性和抗应力断裂等综合性能，被广泛用在航空航天制造领域。而较大规格铸锭在铸造过程中会出现偏析、冷隔、缩孔缩松、裂纹等缺陷，铸造过程中，各工艺参数的控制较难达到最优组合，使得制备成功率低。铸锭的各种缺陷和材料的机械性能与其制备过程的控制有着密不可分的联系。大规格超高强铝合金的制备工艺成为了普遍关注的问题。本文采用仿真技术对一种新型的大规格均质超高强铝合金的精炼过程进行模拟，进而对精炼工艺进行优化，减少实验周期和成本。本研究利用ANSYS软件对制备过程的温度场和流场进行耦合。系统研究了稳定制备过程的情况，并以此为基础对精炼工艺进行优化。

1边界条件

电极与熔剂域的接触面为质量进口，铝锭下表面为流量出口，电极与熔剂域保持相对静止。结晶器壁采用无滑移边界条件，熔剂域自由表面采用零剪切力边界条件。熔剂和空气接触面综合考虑对流和辐射传热，熔剂与结晶器界面为对流换热边界条件。

2数值模拟结果与分析

图1(a)、(b)为460s时，15mm/min电极插入速度下精炼制备熔剂域内的多物理场分布状态。经过熔剂升温和电极快速熔化吸热两个阶段后，精炼制备达到稳态期。由图可知，电极端部熔化的金属液滴在重力和表面张力的共同作用下汇集在电极尖端，形成一个金属熔滴源，且该金属熔滴源在金属表面张力作用下周期性地产生颈缩现象，持续产生金属熔滴并滴落，连续但不成股滴落的金属熔滴穿越溶剂后汇集在液态金属熔池中，这与金属熔滴形成的周期有关。

图1 (a) 460s时精炼制备体系的温度场；(b) 速度场；(c)电极二次插入速度对浸入深度的影响；(d) 精炼制备金属熔池深度变化

当熔剂温度回落至近稳态精炼温度时，研究稳定阶段电极二次插入速度对浸入深度的影响，如图1 (c)所示。当插入速度为12mm/min时，30s后电极浸入深度逐渐下降，说明此速度下电极的补偿量小于在熔剂焦耳热作用下的熔化量。当插入速度为18mm/min时，电极浸入深度呈现振荡增加的趋势，这表示该速度高于稳定精炼制备过程的平衡速度。插入速度为15mm/min时，电极位置呈周期性波动变化，整体维持在设定浸入深度附近。

图1(d) 显示精炼制备过程中金属熔池深度变化的特征。电极熔化前，金属铸锭在底部水箱和侧面结晶器的共同冷却下已全部凝固，此时认为熔池深度为零。电极熔化后，高温金属液滴落在铸锭表面，铸锭高度增加的同时也使熔池深度增加，呈“V字”形状。由图可知，计算时间为350s和460s时，金属熔池的形状和深度接近，说明金属熔池深度维持在51mm左右时，达热平衡。

3结论

1、稳定熔化阶段，熔剂域温度回落至近稳态精炼温度后，降低插入速度为15mm/min，电极位置呈周期性波动变化，整体可维持在设定浸入深度附近。熔剂域内的金属液滴连续滴落，并且金属熔滴之间存在一定的空间间距。

2、 电极熔化后，高温金属液滴落在铸锭表面，铸锭高度增加的同时也使熔池深度增加，呈“V字”形状，精炼制备进入稳态阶段后，金属熔池深度维持在51mm左右。

参考文献

[1]易雪雄. 7xxx铝合金电磁搅拌铸造流场的数值模拟及试验研究[D]. 中南大学, 2013.

[2]志敏，路贵民. 连续铸造稳态温度场非物理边界条件的确定[J]. 东北大学学报：自然科学版，2008，(29)8；1130-1134.

作者简介：赵和安（1983年3月-），男，汉族，湖南湘潭人，工学硕士研究生，现任中国航天科工集团有限公司贵州航天新力科技有限公司高级工程师，研究方向：金属材料锻压成型。

本研究获得2021年贵州省工业和信息化厅发展专项资金项目“高端装备用大规格高纯高均质Al-Zn-Mg-Cu系超高强铝合金铸锭产业化技术研究及应用”支持（项目号：黔财工[2021]165号）