半固态AZ91D镁合金触变压铸充型过程的数值模拟

D01:10.13374j.ism100103x2006.08.010 第28卷第8期 北京科技大学学报 Vol.28 Na 8 2006年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.2006 半固态AZ91D镁合金触变压铸充型过程的数值模拟 李强”毛卫眠”白月龙”徐宏2》侯华2 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)中北大学铸造工程研究中心，太原030051 摘要以半固态AZ91D镁合金浆料的流变性能的实验研究为基础通过曲线拟合的方法建立 半固态AZ91D镁合金的表观粘度的触变模型.根据此触变模型开发了半固态AZ91D镁合金触变 压铸充型过程中的表观粘度计算程序，并嵌入在Castsof软件中，实现了半固态AZ91D镁合金触 变压铸过程的流场和温度场的模拟计算.模拟结果表明：充填速度和浆料温度对半固态AZ91D镁 合金浆料的充填过程有显著影响。最佳充填速度的范围为2~5m"s1,半固态浆料的最佳温度范 围为570-580℃. 关键词AZ91D镁合金：触变压铸：半固态成型：数值模拟 分类号TG146.2+2 从20世纪90年代开始，国内外科研人员都 体，其流变行为非常复杂，因此要想获得半固态 对半固态金属浆料充型过程的数值模拟技术进行 AZ91D镁合金浆料在充型过程中的流场信息，必 了研究并取得了许多成果1.数值模拟研究工 须建立能够描述其流变行为的控制方程，即表观 作大多以铝合金和S一Ph合金为研究对象，然 粘度的控制方程.利用所建立的表观粘度方程计 而，镁合金由于其密度小、比强度高等优点，近年 算浆料的表观粘度，并将该表观粘度代入半固态 来受到越来越多的生产企业和研究人员的注意. 流体的动量守恒方程.利用该动量守恒方程与质 本文以半固态AZ91D镁合金为研究对象，首先通 量守恒方程、能量守恒方程联立求解才能更加准 过建立模型开发出半固态AZ9ID镁合金的压铸 确地计算充型过程的熔体流场 充型数值模拟程序，然后通过模拟研究的方法研 本文用指数递减函数拟合AZ9ID镁合金的 究了充填速度和坯料温度对半固态AZ91D镁合 实验触变特性曲线，建立了AZ9ID镁合金表观粘 金的压铸充型过程的影响规律 度的触变模型.图1显示了固相分数f为0.34， 1 表观粘度触变模型 剪切速率Y分别为93.7和374.8s1时AZ91D镁 合金触变特性曲线拟合结果.从图1可以看出指 半固态AZ91D镁合金浆料是一种非牛顿流 数递减函数的拟合曲线和实验曲线十分吻合.该 5.0r 45 ,粘度的实际变化曲线 粘度的实际变化曲线 指数递减函数拟合曲线 一指数递域函数拟合曲线 4.0 3.0 2 2.5 024681012 123 e (a)f=0.34,Y=93.7s1 (b)f0.34,y=374.8s1 图1半固态AZ9ID镁合金浆料的实验触变曲线及拟合曲线 Fig.I Tested and simulated apparent viscosity curves of semi-solid A291D magnesium all oy 收稿日期.2005-05-12修回日期.2005-10-27 指数递减函数的形式如下： 基金项目：国家863计划资助项目(N0.G2002AA336080)和国家 y=y0十AeW1 (1) 自然科学基金资助项目(Na50374012) 将y=7,y0=1,x=1代入式(1)并进行变形得到： 作者简介：李强(1980-).男，顾士研究生：毛卫民(1958一)， 男.教授，博士 是e-月 (2)

半固态 AZ91D 镁合金触变压铸充型过程的数值模拟 李 强 1) 毛卫民 1) 白月龙 1) 徐 宏 2) 侯 华 2) 1)北京科技大学材料科学与工程学院, 北京 100083 2)中北大学铸造工程研究中心, 太原 030051 摘 要 以半固态 AZ91D 镁合金浆料的流变性能的实验研究为基础, 通过曲线拟合的方法建立 半固态 AZ91D 镁合金的表观粘度的触变模型.根据此触变模型开发了半固态 AZ91D 镁合金触变 压铸充型过程中的表观粘度计算程序, 并嵌入在 Castsoft 软件中, 实现了半固态 AZ91D 镁合金触 变压铸过程的流场和温度场的模拟计算.模拟结果表明:充填速度和浆料温度对半固态 AZ91D 镁 合金浆料的充填过程有显著影响, 最佳充填速度的范围为 2 ～ 5 m·s -1 , 半固态浆料的最佳温度范 围为 570～ 580 ℃. 关键词 AZ91D 镁合金;触变压铸;半固态成型;数值模拟 分类号 TG 146.2 +2 收稿日期:2005 05 12 修回日期:2005 10 27 基金项目:国家863计划资助项目(No .G2002AA336080)和国家 自然科学基金资助项目(No.50374012) 作者简介:李 强(1980—), 男, 硕士研究生;毛卫民(1958—), 男, 教授, 博士 从 20 世纪 90 年代开始, 国内外科研人员都 对半固态金属浆料充型过程的数值模拟技术进行 了研究并取得了许多成果[ 1 7] .数值模拟研究工 作大多以铝合金和 Sn-Pb 合金为研究对象 .然 而,镁合金由于其密度小、比强度高等优点 ,近年 来受到越来越多的生产企业和研究人员的注意. 本文以半固态 AZ91D 镁合金为研究对象, 首先通 过建立模型开发出半固态 AZ91D 镁合金的压铸 充型数值模拟程序 , 然后通过模拟研究的方法研 究了充填速度和坯料温度对半固态 AZ91D 镁合 金的压铸充型过程的影响规律 . 1 表观粘度触变模型 半固态 AZ91D 镁合金浆料是一种非牛顿流 体, 其流变行为非常复杂 , 因此要想获得半固态 AZ91D 镁合金浆料在充型过程中的流场信息 ,必 须建立能够描述其流变行为的控制方程 ,即表观 粘度的控制方程.利用所建立的表观粘度方程计 算浆料的表观粘度 , 并将该表观粘度代入半固态 流体的动量守恒方程 .利用该动量守恒方程与质 量守恒方程、能量守恒方程联立求解,才能更加准 确地计算充型过程的熔体流场 . 本文用指数递减函数拟合 AZ91D 镁合金的 实验触变特性曲线, 建立了AZ91D 镁合金表观粘 度的触变模型.图 1 显示了固相分数 fs 为 0.34 , 剪切速率 γ ·分别为 93.7 和 374.8s -1时AZ91D 镁 合金触变特性曲线拟合结果.从图 1 可以看出指 数递减函数的拟合曲线和实验曲线十分吻合 .该 图 1 半固态AZ91D 镁合金浆料的实验触变曲线及拟合曲线 Fig.1 Tested and simulated apparent viscosity curves of semi-solid AZ91D magnesium alloy 指数递减函数的形式如下 : y =y 0 +A·e -x/ t 1 (1) 将 y =η, y0 =ηe , x =t 代入式(1)并进行变形得到: η-ηe ηi -ηe =α·exp - t t 1 (2) 第 28 卷 第 8 期 2006 年 8 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol .28 No.8 Aug.2006 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2006.08.010

。756 北京科技大学学报 2006年第8期 其中，参数α是一个物性参数，它由初始粘度， 于特定意义的P,具有特定的Γ和S与之对应. 稳态粘度”。和系数A决定，对于一个给定的材 此通用方程中的四项分别是不稳定项、对流项、扩 料，比如半固态AZ91D镁合金浆料，这个α值是 散项和源项.因变量可以代表不同的物理量，如 一定的：t为时间，1是松弛时间，其计算表达 速度分量、温度等 a十b,此表达式中有三个未知数 式为=，1 3数值模拟结果对比分析 a,b和m,因此通过三条拟合曲线则可将表达式 根据半固态AZ91D镁合金浆料表观粘度的 t1解出.经求解得： 触变模型开发了半固态AZ91D镁合金压铸充型 1 (3) 过程的表观粘度计算程序模块将此程序模块嵌 1=0.372+1.439x1082.95 入CastSoft铸造工程软件，模拟计算了不同条件 将式(3)代入式(2)即可求得半固态AZ91D 下的半固态AZ91D镁合金的充填过程. 表观粘度的触变模型，其完整的表示如下： 3.1充填速度对触变压铸的影响 ne 在半固态AD91D镁合金浆料的触变压铸中， n-ne =aepl-(0372+1439X108y295·1 压射速度（压铸机压射冲头前进的速度）或充填速 (4) 度（浇道中半固态浆料的流速）和压射比压对压铸 1e=10.74exp(695f)ya3 件的成形、内部质量和外部质量具有重要的影响， 式中f,可由Scheil公式求得y, 因此应该采用合适的充填速度和压射比压.另 外，对于半固态AD91D镁合金浆料，其表观粘度 2触变压铸充型数值模拟的基本方程 比液态AD91D镁合金的表观粘度约高3~4个数 由于半固态浆料的表观粘度较大，大约是金 量级，所以从理论上分析，半固态AD9ID镁合金 属液粘度的103~104倍，所以半固态触变压铸的 浆料在一定的充填速度范围内应以层流方式充填 充型过程很平稳，可采用层流计算模型.同砂型 压铸型，但随着充填速度的增大，半固态AD91D 铸造充型模拟过程一样，触变压铸充型模拟也将 镁合金浆料的流动将由层流充填向紊流充填过 半固态浆料看作不可压缩的流体，其流动过程将 度 遵循质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定 利用所开发的计算软件，在充填速度分别为 律.因此，半固态AZ91D镁合金触变压铸充型数 2,45,7.5和10m·s的条件下，模拟计算了 值模拟的基本方程为：连续性方程、NS方程、能 半固态AD91D镁合金浆料触变压铸的充填过程， 量方程和体积函数方程.在三维直角坐标系中， 如图2和图3所示.可以看出，随着充型速度的 这些方程可用一个通用方程式来表示，即： 增大，半固态AD9ID镁合金浆料由平稳充填向紊 )+div()=div(I'gmd)(5) 流过度，这与理论分析相吻合，也在一定程度上证 明了所建立的半固态AD91D镁合金表观粘度模 式中，中是因变量，「是扩散系数，S是源项.对 型是合理和有效的. AA2 (@)2ms+ b)4m5 (e)5m.s (d)75 m.si (e)10m.s 图2不同充型速度下半固态AZ91D镁合金平板件压铸充型模拟结果（充填量为44%） Fig 2 Simulated filling resuts of plate diecasting with semisolid AZ9ID magnesium alloy at different filling peeds after filling44%cavity

其中 ,参数 α是一个物性参数 ,它由初始粘度 ηi , 稳态粘度 ηe 和系数 A 决定, 对于一个给定的材 料,比如半固态 AZ91D 镁合金浆料, 这个 α值是 一定的;t 为时间, t 1 是松弛时间[ 8] ,其计算表达 式为 t 1 = 1 a +b·γ · m , 此表达式中有三个未知数 a , b 和m , 因此通过三条拟合曲线则可将表达式 t 1 解出.经求解得: t 1 = 1 0.372 +1.439 ×10 -8 γ · 2 .95 (3) 将式(3)代入式(2)即可求得半固态 AZ91D 表观粘度的触变模型 ,其完整的表示如下: η-ηe ηi -ηe =α·exp[ -(0.372 +1.439 ×10 -8 γ · 2.95·t] (4) ηe =10.74exp(6.95 fs)γ · -0.83 . 式中 fs 可由 Scheil 公式求得[ 9] . 2 触变压铸充型数值模拟的基本方程 由于半固态浆料的表观粘度较大 ,大约是金 属液粘度的 10 3 ～ 10 4 倍 ,所以半固态触变压铸的 充型过程很平稳 , 可采用层流计算模型.同砂型 铸造充型模拟过程一样 ,触变压铸充型模拟也将 半固态浆料看作不可压缩的流体, 其流动过程将 遵循质量守恒定律 、动量守恒定律和能量守恒定 律.因此 ,半固态AZ91D 镁合金触变压铸充型数 值模拟的基本方程为:连续性方程、N-S 方程 、能 量方程和体积函数方程 .在三维直角坐标系中, 这些方程可用一个通用方程式来表示, 即: t (ρφ)+div(ρuφ)=div(Γ·g rad φ)+S (5) 式中, φ是因变量 , Γ是扩散系数 , S 是源项 .对 于特定意义的 φ,具有特定的 Γ和S 与之对应. 此通用方程中的四项分别是不稳定项、对流项、扩 散项和源项.因变量可以代表不同的物理量, 如 速度分量 、温度等. 3 数值模拟结果对比分析 根据半固态 AZ91D 镁合金浆料表观粘度的 触变模型开发了半固态 AZ91D 镁合金压铸充型 过程的表观粘度计算程序模块, 将此程序模块嵌 入CastSoft 铸造工程软件 , 模拟计算了不同条件 下的半固态AZ91D 镁合金的充填过程 . 3.1 充填速度对触变压铸的影响 在半固态AD91D 镁合金浆料的触变压铸中, 压射速度(压铸机压射冲头前进的速度)或充填速 度(浇道中半固态浆料的流速)和压射比压对压铸 件的成形 、内部质量和外部质量具有重要的影响, 因此应该采用合适的充填速度和压射比压 .另 外,对于半固态 AD91D 镁合金浆料, 其表观粘度 比液态AD91D 镁合金的表观粘度约高 3 ～ 4 个数 量级, 所以从理论上分析, 半固态 AD91D 镁合金 浆料在一定的充填速度范围内应以层流方式充填 压铸型 ,但随着充填速度的增大 , 半固态 AD91D 镁合金浆料的流动将由层流充填向紊流充填过 度. 利用所开发的计算软件, 在充填速度分别为 2 , 4 , 5 , 7.5 和 10 m·s -1的条件下 , 模拟计算了 半固态AD91D 镁合金浆料触变压铸的充填过程, 如图 2 和图 3 所示.可以看出, 随着充型速度的 增大 ,半固态AD91D 镁合金浆料由平稳充填向紊 流过度,这与理论分析相吻合 ,也在一定程度上证 明了所建立的半固态 AD91D 镁合金表观粘度模 型是合理和有效的. 图 2 不同充型速度下半固态AZ91D 镁合金平板件压铸充型模拟结果(充填量为 44%) Fig.2 Simulated filling results of plate diecasting with semi-solid AZ91D magnesium alloy at different filling speeds after filling 44% cavity · 756 · 北 京 科 技 大 学 学 报 2006 年第 8 期

Vol.28 No.8 李强等：半固态AZ91D镁合金触变压铸充型过程的数值模拟 ·757。 (a)2m:s1 (b)4m-s1 (c)5 m.s (d75m.s1 (@)10ms 图3不同充型速度下半固态AZ91D镁合金平板件压铸充型模拟结果（充型量为60%） Fig 3 Simulated filling resu ts of plate diecasting with semi-solid AZ9ID magnesium alloy at different filling speeds after filling60%cavity 当充型速度为2~5m°s1时，半固态AZ91D 小，导致充型时间过长，则会造成充型不完整、冷 镁合金浆料的充填很平稳，即半固态AZ91D镁合 隔等铸造缺陷.所以，在保证平稳充型的条件下， 金浆料以“全壁厚”的形态向前推进压铸型腔中 应选择较大的充填速度.根据本模拟结果及理论 的气体会得到充分的排除，铸件不容易产生裹气 分析，笔者认为：对于半固态AZ9ID镁合金触变 缺陷.但当充型速度达到7.5ms1时，半固态 压铸，充填速度宜选择2~5ms1,最大不应超过 AZ91D镁合金浆料的平稳充填将发生变化在平 75ms1. 板压铸型底部的两端开始出现隔离区域，如图2 3.2浆料温度对触变压铸的影响 ()所示，这时压铸件可能会产生裹气缺陷.如果 半固态AZ91D镁合金浆料的表观粘度与固 充型速度达到10m°s1,在平板压铸型底部的两 相分数呈指数关系，随着半固态AZ9ID镁合金浆 端会出现更严重的紊流区，如图3()所示，压铸 料固相分数的增高，其表观粘度急剧升高，因此可 型腔内的气体不容易充分排出，压铸件更容易裹 通过调整半固态AZ91D镁合金浆料的温度来控 气，压铸件的力学性能将会降低. 制不同的固相分数，进而调整半固态AZ91D镁合 从另一方面看，半固态AZ91D镁合金浆料的 金浆料的表观粘度.为了获得完整的压铸件和降 成型温度比液态AZ91D镁合金压铸成型温度低 低成型抗力，或压铸薄壁复杂件，通常使浆料的固 得多，如半固态AZ91D镁合金浆料的触变压铸成 相分数控制的低一些，即浆料的温度高一些，以降 型温度约为580℃，液态AZ91D镁合金的压铸成 低半固态AZ91D镁合金浆料的表观和成型抗力. 型温度约为650℃.为了防止充型过程中半固态 但如果半固态AZ91D镁合金浆料的温度过高，则 浆料温度的过分下降，半固态AZ91D镁合金触变 触变充型过程容易出现紊流. 压铸应该选用较高的充填谏度.如果充填谏度太 图4显示了半固态AZ91D镁合金浆料温度 (a)570℃ b)575℃ (d)580℃ (d585℃ 图4不同浆料温度下半因态AZ91D镁合金平板件压铸充型模拟结果（充型量36%，充型速度为4m's一1） Fig.4 Simulated filling results of plate diecasting with semi-sdid AZ91D magnesiu alloy at a fil ling speed of 4 m"s ad different slurry temper atures after filling 36%cavity

图 3 不同充型速度下半固态AZ91D 镁合金平板件压铸充型模拟结果(充型量为 60%) Fig.3 Simulated filling results of plate diecasting with semi-solid AZ91D magnesium alloy at different filling speeds after filling 60% cavity 当充型速度为 2 ～ 5 m·s -1时, 半固态 AZ91D 镁合金浆料的充填很平稳 ,即半固态 AZ91D 镁合 金浆料以“全壁厚”的形态向前推进, 压铸型腔中 的气体会得到充分的排除 ,铸件不容易产生裹气 缺陷.但当充型速度达到 7.5 m·s -1时 , 半固态 AZ91D 镁合金浆料的平稳充填将发生变化, 在平 板压铸型底部的两端开始出现隔离区域 , 如图 2 (d)所示,这时压铸件可能会产生裹气缺陷.如果 充型速度达到 10 m·s -1 , 在平板压铸型底部的两 端会出现更严重的紊流区 , 如图 3(e)所示, 压铸 型腔内的气体不容易充分排出, 压铸件更容易裹 气,压铸件的力学性能将会降低. 从另一方面看, 半固态AZ91D 镁合金浆料的 成型温度比液态 AZ91D 镁合金压铸成型温度低 得多, 如半固态 AZ91D 镁合金浆料的触变压铸成 型温度约为 580 ℃,液态 AZ91D 镁合金的压铸成 型温度约为 650 ℃.为了防止充型过程中半固态 浆料温度的过分下降 ,半固态 AZ91D 镁合金触变 压铸应该选用较高的充填速度.如果充填速度太 小,导致充型时间过长, 则会造成充型不完整 、冷 隔等铸造缺陷 .所以 ,在保证平稳充型的条件下, 应选择较大的充填速度.根据本模拟结果及理论 分析, 笔者认为:对于半固态 AZ91D 镁合金触变 压铸 ,充填速度宜选择2 ～ 5m·s -1 ,最大不应超过 7.5 m·s -1 . 3.2 浆料温度对触变压铸的影响 半固态 AZ91D 镁合金浆料的表观粘度与固 相分数呈指数关系, 随着半固态AZ91D 镁合金浆 料固相分数的增高, 其表观粘度急剧升高,因此可 通过调整半固态 AZ91D 镁合金浆料的温度来控 制不同的固相分数, 进而调整半固态 AZ91D 镁合 金浆料的表观粘度.为了获得完整的压铸件和降 低成型抗力,或压铸薄壁复杂件,通常使浆料的固 相分数控制的低一些 ,即浆料的温度高一些 ,以降 低半固态 AZ91D 镁合金浆料的表观和成型抗力. 但如果半固态 AZ91D 镁合金浆料的温度过高 ,则 触变充型过程容易出现紊流. 图 4 显示了半固态 AZ91D 镁合金浆料温度 图 4 不同浆料温度下半固态AZ91D 镁合金平板件压铸充型模拟结果(充型量 36%, 充型速度为 4 m·s -1) Fig.4 Simulated filling results of plate diecasting with semi-solid AZ91D magnesium alloy at a filling speed of 4 m·s -1 and different slurry temperatures after filling 36% cavity Vol.28 No.8 李 强等:半固态 AZ91D 镁合金触变压铸充型过程的数值模拟 · 757 ·

。758· 北京科技大学学报 2006年第8期 对充型模拟计算结果的影响.从模拟结果看，当 alloys and simulation of thixocasting processes.J Mater Pro 浆料温度达到585℃（相对应的理论固相分数约 cess Technol 2001,111(1/3):53 为027)时，半固态AZ91D镁合金浆料的充型开 [习杨卯生，徐宏毛卫民等.铝合金半固态触变充型过程的 计算机模拟.北京科技大学学报2002.24(2：181 始出现紊流现象，如图4()下端所示，此处开始 3 Andre A.Francois B.Lou W.Mathematical and computa 出现隔离的区域.因此，笔者认为：对于半固态 tional modeling of die filling in semisolid metal prooessing.J AZ91D镁合金触变压铸，半固态浆料的温度一般 Mater Process Technol 1999.96(1/3):59 应控制在570~580℃之间，对应的理论固相分数 [4 Kapramos P.Kirkw ood D H.Barkhudamv M R.Modeling of 范围为048~0.34. structu ral breakdwn during rapid compression of semi-solid ah loy slugs//Proceedings of the 5th Intemational Conference on 4 结论 the Processing of Semi-Solid Alloys and Composites.Golen 1998:11 (1)用曲线拟合的方法建立了半固态AZ91D 【习高志强。王云华苏华钦。半固态合金触变铸造数值模拟方 镁合金表观粘度的触变模型. 法的研究.特种铸造及有色合金1997(6)：8 (2)开发了半固态AZ91D镁合金压铸充型 【(杨湘杰，刘谨。谢水生。半固态铝合金触变成形流场的模拟 仿真.中国有色金属学报。200010(Suppl1):145 中的表观粘度计算程序模块并嵌入在CastSoft 【刀杨湘杰，韩丽华，谢水生。铝合金触变成形技术及其应用 软件中，实现了半固态AZ91D镁合金触变压铸过 江西科学，199717(4)：261 程的流场和温度场的模拟计算. [8 Kirkw ood D H.Ward P J.Barkhudarov M R.et al.An ini- (3)通过模拟计算，优化了半固态AZ91D镁 tial assessment of the Flow-3D thixotmpic model//Proceedings 合金的触变压铸工艺，最佳充填速度的范围为2 of the 6th Internat ional Conference on the Processing of Semi ~5ms1,半固态浆料的最佳温度范围为570- Solid Alloys and Composites.Turin:Politecnico DI Torino 2000:545 580℃. [9胡汉起.金属凝固原理.北京：机械工业出版社，1991：66 参考文献 [1]Modigell M.Joke J.Rheobgical modeing on semisolid metal Numerical simulation of thixo-diecasting filling of semi-solid AZ91D alloy LI Qiang,MAO Weimin.BAI Yuelong.XU Hong?.HOU Hua2 1)Materiak Science and Ergineering Schook University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083 China 2)Research Center of Casting Ergineering Central and North University.Taiyuan 030051.China ABSTRACT Based on the investigation of the rheological and thixotropic behavior of semi-solid AZ91D slurry,a thixotropic model describing the apparent viscosity of the slurry was established by the curve fit- ting method.A specific program used for calculating the apparent viscosity of AZ9ID slurry during thixo- diecasting was developed and embedded into the CastSoft simulating program.The flow fiel and the tem- perature field during thixo-diecasting process were simulated using the improved program.The results show that the filling speed and initial temperature of the slurry have great effects on the flow patterns of semi-sol- id AZ9ID slurry during thix-filling,the optimum filling speed of slurry is between 2 and 5m's and the optimum temperature is from570℃to580℃. KEY WORDS AZ9ID magnesium alloy;thixo-diecasting;semi-solid forming;numerical simulation

对充型模拟计算结果的影响.从模拟结果看, 当 浆料温度达到 585 ℃(相对应的理论固相分数约 为 0.27)时 ,半固态 AZ91D 镁合金浆料的充型开 始出现紊流现象 ,如图 4(d)下端所示 ,此处开始 出现隔离的区域.因此 , 笔者认为:对于半固态 AZ91D 镁合金触变压铸 ,半固态浆料的温度一般 应控制在 570 ～ 580 ℃之间,对应的理论固相分数 范围为 0.48 ～ 0.34 . 4 结论 (1)用曲线拟合的方法建立了半固态 AZ91D 镁合金表观粘度的触变模型. (2)开发了半固态 AZ91D 镁合金压铸充型 中的表观粘度计算程序模块, 并嵌入在 CastSoft 软件中 ,实现了半固态AZ91D 镁合金触变压铸过 程的流场和温度场的模拟计算 . (3)通过模拟计算 ,优化了半固态 AZ91D 镁 合金的触变压铸工艺 , 最佳充填速度的范围为 2 ～ 5 m·s -1 ,半固态浆料的最佳温度范围为 570 ～ 580 ℃. 参 考 文 献 [ 1] Modigell M , Joke J.Rheological modeling on semi-solid metal alloys and simulation of thixocasting processes.J Mater Pro￾cess Technol, 2001 , 111(1/ 3):53 [ 2] 杨卯生, 徐宏, 毛卫民, 等.铝合金半固态触变充型过程的 计算机模拟.北京科技大学学报, 2002 , 24(2):181 [ 3] Andre A, Francois B , Loué W .Mathematical and computa￾tional modeling of die filling in semisolid metal processing .J Mater Process Technol, 1999 , 96(1/ 3):59 [ 4] Kap ranos P, Kirkw ood D H , Barkhudarov M R.Modeling of structu ral breakdow n during rapid compression of semi-solid al￾loy slugs∥Proceedings of the 5th International Conference on the Processing of Semi-Solid Alloys and Composites.Golden , 1998:11 [ 5] 高志强, 王云华, 苏华钦.半固态合金触变铸造数值模拟方 法的研究.特种铸造及有色合金, 1997(6):8 [ 6] 杨湘杰, 刘谨, 谢水生.半固态铝合金触变成形流场的模拟 仿真.中国有色金属学报, 2000, 10(Suppl 1):145 [ 7] 杨湘杰, 韩丽华, 谢水生.铝合金触变成形技术及其应用. 江西科学, 1997 , 17(4):261 [ 8] Kirkw ood D H , Ward P J, Barkhudarov M R, et al.An ini￾tial assessment of the Flow-3D thixotropic model∥Proceedings of the 6th Int ernational Conference on the Processing of S emi￾Solid Alloys and Composites.Turin:Politecnico DI T orino , 2000:545 [ 9] 胡汉起.金属凝固原理.北京:机械工业出版社, 1991:66 Numerical simulation of thixo-diecasting filling of semi-solid AZ91D alloy LI Qiang 1) , MAO Weimin 1) , BAI Y uelong 1) , XU Hong 2) , HOU Hua 2) 1)Materials Science and Engineering School, University of Science and Technology Beijing , Beijing 100083 , China 2)Research Cent er of Casting Engineering, Central and North University , Taiyuan 030051 , China ABSTRACT Based on the investigatio n of the rheological and thixo tropic behavior of semi-solid AZ91D slurry , a thixotropic model describing the apparent viscosity of the slurry w as established by the curve fit￾ting method .A specific program used for calculating the apparent viscosity of AZ91D slurry during thixo￾diecasting w as developed and embedded into the CastSoft simulating prog ram .The flow field and the tem￾perature field during thixo-diecasting process w ere simulated using the improved prog ram .The results show that the filling speed and initial temperature of the slurry have great effects on the flow patterns of semi-sol￾id AZ91D slurry during thix-filling , the optimum filling speed of slurry is between 2 and 5 m·s -1 and the optimum temperature is from 570 ℃to 580 ℃. KEY WORDS AZ91D magnesium alloy ;thixo-diecasting ;semi-solid forming ;numerical simulation · 758 · 北 京 科 技 大 学 学 报 2006 年第 8 期