熔融態金屬復合板層間真空度的數值模擬

316l和eh40復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點。大量國內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境中向復合坯料中充型液態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，應用ProCAST仿真軟件確定充型完整的工藝參數，指導充型試驗參數的設定，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的確定1.1夾層充型成形對系統抽真空至設定壓力差，選取流動性能好的固態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，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層組合坯料預留的腔體，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/復層組合坯料取出，直接進行復合成形試驗。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的共同作用，利用ProCAST有限元仿真軟件對試驗工藝參數進行數值模擬。根據上節提出的熔融態材料冷卻凝固成型夾層原理，選取熔融態流動性能好、元素性質相近、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軟件材料數據庫計算得到鐵鈷鎳合金的固相率與溫度的關系如圖2所示，液相線和固相線溫度分別為1450和1380℃。基層、復層兩種材料成分見表1，根據軟件數據庫計算出來的金屬材料熱物性參數定義夾層材料。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置為1550℃，充型壓力差為設備最大壓差0.085MPa，冷卻條件設置為空冷，設置充型方向為豎直向下。依據設定的工藝參數進行數值模擬，得到夾層充型時間和充型完成時溫度云圖，如圖3所示。根據充型時間云圖可將夾層分為兩個區域，Ⅰ區域熔體填充時間從充型入口至夾層底部逐漸增加，Ⅱ區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區域從上至下填充，再對Ⅱ區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區域溫度高于Ⅱ區域溫度，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，易于后續液體補縮，該工藝參數下能夠實現夾層的完整充型。2層析測試根據上節提出的夾層充型原理，借助NMS-DRXXⅡ錠模旋轉式真空電弧熔煉/吸鑄系統，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，實現充型完成后直接進行基層復層材料的復合成形試驗，將316L/EH40組合樣件預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備坩堝爐中，抽真空后在氬氣環境中熔煉，設備內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數值模擬確定充型工藝參數進行充型試驗，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樣件的夾層，如圖6(b）所示，夾層充型率與仿真結果相同，圖中Ⅰ、Ⅱ區域的表面紋路與圖3(a）中仿真結果的Ⅰ、Ⅱ區域相對應，由于兩區域充型時間相差0.1s，導致兩區域凝固時間相差較大，在其分界線處產生凹痕，這證明了仿真結果的可靠性。3方法和結果分析3.1均熱處理的時間對圖6(a）中右側充型樣件進行處理，去除上側殘余鐵鈷鎳合金塊，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，經軋制后復合板出口厚度為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層兩側碳元素存在濃度差，碳元素會在軋制過程受到高溫影響元素激活能而發生擴散，進而影響復合材料的整體性能，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種材料結合緊密，均已經形成了良好的復合。316L不銹鋼側組織為單一的奧氏體組織，晶界清晰平直、呈規則多邊形，晶粒粗大；EH40側組織中主要為鐵素體和珠光體且未發現脫碳層，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顯微硬度儀測量結合界面處的顯微硬度值，設置載荷為1N，加載時間為10s，每個位置硬度值測量3次取平均值，結果如圖9所示。EH40側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側界面處硬度值經過上升后下降，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生突變，這證明碳元素未擴散至316L側。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，結果如圖10所示。夾層與316L、EH40中元素發生相互擴散，元素連續分布，未出現折點和中斷，這說明各部分連接緊密，形成了穩定的化學鍵。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側發生的擴散。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，設置變形速度為1mm/min，拉伸件和拉剪件各加工3個，將測量結果取平均值，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層間元素發生了相互擴散，鐵鈷鎳夾層起到了阻隔基層與復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，這證明了經過熱軋后帶鐵鈷鎳夾層的316L/EH40復合板具有一定的復合強度，這與顯微組織和元素擴散結果相對應，通過鐵鈷鎳夾層，基層與復層實現了良好的冶金結合。4模擬結果驗證(1）提出了提高界面真空度的夾層充型原理。基于該原理利用ProCAST有限元軟件對充型工藝參數進行計算，試驗得到的夾層充型率100%，但表面存在凹痕，驗證了模擬結果的準確性。(2）復合板拉伸強度和拉剪