熔融態(tài)金屬復(fù)合板層間真空度的數(shù)值模擬

熔融態(tài)金屬復(fù)合板層間真空度的數(shù)值模擬

316l和eh40復(fù)合板具有良好的耐腐蝕性和高強度，以及良好的耐候性等優(yōu)點。大量國內(nèi)外學者對添加夾層來防止元素擴散及界面脆性相的生成進行了研究。祖國胤等本文提出一種真空環(huán)境中向復(fù)合坯料中充型液態(tài)金屬冷卻凝固成型夾層的方法，基于真空吸鑄充型原理引入鐵鈷鎳合金夾層，應(yīng)用ProCAST仿真軟件確定充型完整的工藝參數(shù)，指導充型試驗參數(shù)的設(shè)定，并對充型組合樣件進行熱軋成形試驗，分析成形樣件的界面特征和力學性能，驗證夾層的阻隔性能。1基于充電性原理和工藝參數(shù)的確定1.1夾層充型成形對系統(tǒng)抽真空至設(shè)定壓力差，選取流動性能好的固態(tài)合金夾層材料置于下端開口的坩堝中，加熱使其溫度上升至高于本身熔點，保持熔融狀態(tài)，打開閥門利用重力及壓力差提供動力，將熔體吸引至基層復(fù)層組合坯料預(yù)留的腔體，冷卻凝固形成夾層，充型原理如圖1所示，充型完成后將基層/夾層/復(fù)層組合坯料取出，直接進行復(fù)合成形試驗。1.2夾層充型過程及驗證夾層成型效果受到熔體過熱度、真空壓力差兩個工藝參數(shù)的共同作用，利用ProCAST有限元仿真軟件對試驗工藝參數(shù)進行數(shù)值模擬。根據(jù)上節(jié)提出的熔融態(tài)材料冷卻凝固成型夾層原理，選取熔融態(tài)流動性能好、元素性質(zhì)相近、熔煉后不易形成金屬間化合物的鐵、鈷、鎳3種金屬進行熔煉。合金的流動性在熔煉充型過程中起著至關(guān)重要的作用，3種金屬進行等原子比配比后，利用ProCAST軟件材料數(shù)據(jù)庫計算得到鐵鈷鎳合金的固相率與溫度的關(guān)系如圖2所示，液相線和固相線溫度分別為1450和1380℃。基層、復(fù)層兩種材料成分見表1，根據(jù)軟件數(shù)據(jù)庫計算出來的金屬材料熱物性參數(shù)定義夾層材料。選取鐵鈷鎳合金初始溫度為100℃過熱度，則充型材料初始溫度設(shè)置為1550℃，充型壓力差為設(shè)備最大壓差0.085MPa，冷卻條件設(shè)置為空冷，設(shè)置充型方向為豎直向下。依據(jù)設(shè)定的工藝參數(shù)進行數(shù)值模擬，得到夾層充型時間和充型完成時溫度云圖，如圖3所示。根據(jù)充型時間云圖可將夾層分為兩個區(qū)域，Ⅰ區(qū)域熔體填充時間從充型入口至夾層底部逐漸增加，Ⅱ區(qū)域填充時間從入口至底部逐漸減少，可見鐵鈷鎳合金熔體的流動方向先對Ⅰ區(qū)域從上至下填充，再對Ⅱ區(qū)域進行從下至上的反向填充。由充型完成時夾層溫度分布云圖可以看出，熔體全部填充夾層，充型率達到100%，且Ⅰ區(qū)域溫度高于Ⅱ區(qū)域溫度，充型完成時熔體入口處溫度仍處于液相溫度之上，這說明熔體流道暢通，易于后續(xù)液體補縮，該工藝參數(shù)下能夠?qū)崿F(xiàn)夾層的完整充型。2層析測試根據(jù)上節(jié)提出的夾層充型原理，借助NMS-DRXXⅡ錠模旋轉(zhuǎn)式真空電弧熔煉/吸鑄系統(tǒng)，對鐵鈷鎳合金進行熔煉和夾層充型試驗。2.1模具嵌入和組合樣件兩種模式為提高夾層界面潔凈度，實現(xiàn)充型完成后直接進行基層復(fù)層材料的復(fù)合成形試驗，將316L/EH40組合樣件預(yù)留出中間腔體嵌入充型模具中，模具及組合樣件爆炸示意圖如圖4所示。將組裝完成的模具吸棒與真空泵系統(tǒng)連接，下堵頭與模具腔體間隙配合，吸棒吸口與夾層形成流動通道，在真空壓力差的吸引下將坩堝中熔融狀態(tài)合金吸入中間腔體完成充型。2.2條件下冷卻后材料試驗采用純度為99.99%鐵、鈷、鎳金屬顆粒，按照等原子比配料，將處理后的材料放于設(shè)備坩堝爐中，抽真空后在氬氣環(huán)境中熔煉，設(shè)備內(nèi)部圖及冷卻后合金錠如圖5所示。2.3夾層充型率驗證根據(jù)數(shù)值模擬確定充型工藝參數(shù)進行充型試驗，如圖6所示。圖6(a）所示為充型組合樣件。為檢驗夾層充型率，取出充型組合樣件左側(cè)樣件的夾層，如圖6(b）所示，夾層充型率與仿真結(jié)果相同，圖中Ⅰ、Ⅱ區(qū)域的表面紋路與圖3(a）中仿真結(jié)果的Ⅰ、Ⅱ區(qū)域相對應(yīng)，由于兩區(qū)域充型時間相差0.1s，導致兩區(qū)域凝固時間相差較大，在其分界線處產(chǎn)生凹痕，這證明了仿真結(jié)果的可靠性。3方法和結(jié)果分析3.1均熱處理的時間對圖6(a）中右側(cè)充型樣件進行處理，去除上側(cè)殘余鐵鈷鎳合金塊，用加熱爐將充型樣件加熱至1200℃，保溫30min進行均熱處理。利用二輥軋機進行五道次熱軋成形試驗，復(fù)合板初始總厚度為24mm，各道次壓下量分別為4.20mm—3.62mm—2.26mm—2.16mm—2.16mm，經(jīng)軋制后復(fù)合板出口厚度為9.6mm，獲得60%壓下量的終軋件，軋制完成后冷卻至室溫，軋機軋制過程及成型后樣件如圖7所示。3.2金相組織觀察由于基層和復(fù)層兩側(cè)碳元素存在濃度差，碳元素會在軋制過程受到高溫影響元素激活能而發(fā)生擴散，進而影響復(fù)合材料的整體性能，圖8所示為利用AxioObserver3m金相顯微鏡觀測電解處理后鐵鈷鎳夾層、低合金鋼和不銹鋼界面處的微觀組織。低合金鋼EH40和不銹鋼316L與鐵鈷鎳合金夾層的界線明顯，潔凈、無氧化物生成，清晰流暢，較為平直，這表明3種材料結(jié)合緊密，均已經(jīng)形成了良好的復(fù)合。316L不銹鋼側(cè)組織為單一的奧氏體組織，晶界清晰平直、呈規(guī)則多邊形，晶粒粗大；EH40側(cè)組織中主要為鐵素體和珠光體且未發(fā)現(xiàn)脫碳層，這證明鐵鈷鎳夾層能夠阻止大量碳元素擴散。3.3材料的硬度測試以GB/T4340.0—2012為標準，利用Qness10顯微硬度儀測量結(jié)合界面處的顯微硬度值，設(shè)置載荷為1N，加載時間為10s，每個位置硬度值測量3次取平均值，結(jié)果如圖9所示。EH40側(cè)380～1000μm位置硬度值在180HV材料本身的硬度上下波動，在380μm處硬度值有明顯的下降，這表明低合金鋼中的碳元素減少，向鐵鈷鎳夾層擴散，鐵鈷鎳合金硬度值靠近EH40側(cè)界面處硬度值經(jīng)過上升后下降，遠離界面硬度值保持不變，這說明碳元素濃度逐漸降低；316L側(cè)硬度值在240HV附近波動，為材料本身的硬度，靠近鐵鈷鎳夾層的界面處硬度值未發(fā)生突變，這證明碳元素未擴散至316L側(cè)。3.4夾層與eh40的擴散距離為分析成形后界面間元素擴散情況，對樣件界面進行線掃描試驗。利用S-3400N掃描電子顯微鏡探測鎳、鐵、鉻等元素擴散情況，結(jié)果如圖10所示。夾層與316L、EH40中元素發(fā)生相互擴散，元素連續(xù)分布，未出現(xiàn)折點和中斷，這說明各部分連接緊密，形成了穩(wěn)定的化學鍵。夾層與EH40鐵元素之間的濃度梯度大于夾層與316L鐵元素間的濃度梯度，因此，EH40中鐵元素向夾層中擴散距離（42μm）大于316L中鐵元素向夾層的擴散距離（39μm）。316L中鉻元素向夾層中擴散距離為39μm，小于熱軋后夾層的厚度870μm，能夠阻止316L中鉻元素向EH40側(cè)發(fā)生的擴散。3.5拉伸、拉剪變形試驗為檢測添加鐵鈷鎳夾層的316L/EH40復(fù)合板界面力學性能，在軋制成形樣件表面切割試樣進行力學性能測試。試樣尺寸按照國家標準GB/T6396—2008《復(fù)合板力學及工藝性能試驗方法》進行加工，加工完成的試樣如圖11所示。利用ZwickZ100材料萬能試驗機在室溫下進行拉伸和拉剪變形試驗，設(shè)置變形速度為1mm/min，拉伸件和拉剪件各加工3個，將測量結(jié)果取平均值，圖12所示為試樣拉伸、拉剪曲線。從圖中可以看出，復(fù)合板的拉伸強度為490MPa，伸長率為40%，拉剪強度為319MPa。從顯微組織圖中可以看出，復(fù)合界面平直，閉合程度良好。分析線掃描圖可知，夾層與基層間以及夾層與復(fù)層間元素發(fā)生了相互擴散，鐵鈷鎳夾層起到了阻隔基層與復(fù)層之間元素擴散的作用。通過力學性能測試得到的帶夾層樣件拉伸強度和拉剪強度符合標準，這證明了經(jīng)過熱軋后帶鐵鈷鎳夾層的316L/EH40復(fù)合板具有一定的復(fù)合強度，這與顯微組織和元素擴散結(jié)果相對應(yīng)，通過鐵鈷鎳夾層，基層與復(fù)層實現(xiàn)了良好的冶金結(jié)合。4模擬結(jié)果驗證(1）提出了提高界面真空度的夾層充型原理?；谠撛砝肞roCAST有限元軟件對充型工藝參數(shù)進行計算，試驗得到的夾層充型率100%，但表面存在凹痕，驗證了模擬結(jié)果的準確性。(2）復(fù)合板拉伸強度和拉剪