在强制对流影响下，7050铝合金熔体冲击添加凝固过程中流场和温度场的数值模拟

《Journal of Materials Research and Technology》：Numerical simulation of flow field and temperature field during melt impingement additive solidification process of 7050 aluminum alloy under the influence of forced convection

熔体冲击增材凝固（MIAS）过程中，7050铝合金的强制对流显著影响流动动力学与温度场分布，高速冲击（2.0 m/s）形成稳定涡旋结构，降低中心温度至490℃，减少糊状区厚度40%，同时扩大热影响区12-18 mm，促进晶粒细化（平均尺寸从85 μm降至70 μm）和微观组织均匀性，有效抑制溶质偏析与凝固裂纹。

　　7050铝合金在熔体冲击增材凝固（MIAS）过程中的凝固行为对微观结构的发展以及减少溶质偏析和裂纹等缺陷具有关键影响。本研究通过数值模拟与实验数据相结合的方式，探讨了强制对流对凝固过程中流动动态和温度场的影响。研究结果表明，熔体流动模式，尤其是反向旋转涡旋的形成，显著影响了传热效率和溶质分布。温度分布表现出对熔体冲击速度的高度敏感性，随着冲击速度的增加，熔体中心温度明显下降。此外，较高的冲击速度会减少糊状区的厚度，同时扩大热影响区，从而促进界面的不稳定性。由MIAS引起的熔体对流在微观结构演化和晶粒细化方面起主导作用。这些发现有助于加深对合金凝固过程中对流与热相互作用的理解，并为优化MIAS参数以制造具有定制微观结构和性能的高质量合金提供了理论依据。

7xxx系列铝合金以其高比强度、低密度和优异的耐腐蚀性而著称，广泛应用于航空航天、交通运输、机械制造和建筑工程等高价值领域。尽管这些合金具有诸多优点，但在铸造过程中仍常出现诸如宏观溶质偏析和凝固裂纹等缺陷。这些缺陷通常源于粗大且不均匀的晶粒结构。大晶粒会阻碍溶质的均匀分布，从而加剧偏析现象。同时，微观结构的不均匀性会导致凝固过程中应力分布不均，增加裂纹形成的概率。7xxx铝合金的微观结构通常由等轴晶和柱状晶组成，最终的晶粒形态和材料性能受到凝固过程中熔体流动动力学、热和质量传递效率、枝晶生长动力学以及枝晶臂的融合或断裂等复杂相互作用的共同影响。

晶粒细化是减轻溶质偏析、降低热裂倾向并提升铝合金塑性和韧性的重要手段。当前，各种晶粒细化技术，如化学修饰、动力学调控、快速凝固和物理场辅助方法，已被证明在一定程度上能够有效减小晶粒尺寸。随着该领域的发展，许多理论模型已被提出，以阐明晶粒细化的基本机制。这些模型包括基底包覆、共生生长、自由生长和双重形核等理论。这些理论进展为理解化学、物理和混合细化方法的微观结构演化机制提供了基础框架，并为优化加工参数以提高细化效率提供了理论支持。

然而，当前用于细化凝固微观结构的技术在工业应用中仍存在一定的局限性。尽管化学添加剂如Al–Ti–B细化剂被广泛应用，但其效果常受到TiB2颗粒聚集和沉降的阻碍。引入合金元素如Zr和Cr可能导致与Ti形成稳定的金属间化合物，从而引起细化剂中毒，降低细化效率。动力学细化技术，如接触搅拌，通常难以破坏固液界面处的溶质富集层，这限制了其促进均匀形核的能力。此外，物理场辅助方法由于信号在深度方向上的衰减，常常导致核心与表面区域之间的结构不均匀，从而阻碍合金内部晶粒粗化和溶质偏析的完全消除。目前，尚无综合策略能够同时解决形核抑制和结构不均匀的问题。这一限制凸显了开发新型细化方法在工业应用中的重要性。

为了解决上述问题，建立稳定的热场并破坏固液界面附近的局部溶质富集是关键。将强对流引入熔化过程已成为一种有前景的方法。研究表明，宏观熔体流动显著影响对流传热，通过在熔池中实现温度均匀化并促进自由形核的生存与均匀分布。在微观尺度上，由对流引起的湍流已被证明能够增强枝晶臂的断裂和晶体增殖，这对晶粒细化至关重要。在溶质传输方面，熔体流动通过对流和晶粒沉降控制溶质分布，从而减轻宏观偏析和微观偏析。综上所述，这些效应解释了为何在传统细化技术的基础上，使用强制对流能够成为克服现有技术局限性的有效手段。

已有大量研究证实了强制熔体对流在促进晶粒细化和实现合金微观结构均匀化中的关键作用。强制流动能够扩展等轴晶区域并减小晶粒尺寸，而流动抑制则会阻碍细化所需中间晶体的形成和传输。Liotti等人通过同步辐射研究发现，电磁诱导的强制对流通过流体剪切、溶质再分布和曲率过冷的综合作用增强了枝晶断裂。这一发现强调了整合多种物理场测量的重要性。Zhang等人指出，强制流动能够将柱状枝晶碎片运输至熔池内部，从而扩展等轴区域，并建立了流动动力学与形核分布之间的联系。Liu等人识别出固液界面处的高剪切应力是促进枝晶断裂的主要机制，这一过程随后被Zhang等人确认为在铝硅（Al–Si）合金中主导的细化路径。此外，稳定的界面流动有助于温度均匀化并加速溶质扩散，从而增加等轴微观结构的比例。然而，粘性阻力会减弱生长前沿的流动强度，从而限制这些益处并制约细化效率。尽管强制对流的诸多优势已被充分记录，但在工业规模的凝固过程中，如铸造和增材制造，其实际应用仍面临诸多挑战。主要困难在于如何实现整个熔体体积内精确的流动控制和均匀的流动强度，特别是在大规模或几何复杂系统中。目前的强制对流方法，包括电磁和机械搅拌技术，往往无法产生一致的、高强度的剪切流动场，以同时穿透糊状区并均匀化整个液态区域。因此，通常在细化效果和微观结构均匀性之间做出妥协。因此，开发能够生成和调节强而均匀的熔体流动的新方法，以充分发挥强制对流在晶粒细化方面的潜力，是当前亟需解决的问题。相比之下，超声波细化仅在局部区域有效，依赖于空化和声流现象，这些现象随着深度增加迅速衰减，通常导致微观结构的不均匀性。

实现最佳流动场不仅限于理论探讨，更受到工业需求的驱动。在航空航天和汽车工程等高价值行业中，由高强度7xxx系列铝合金制成的部件会经历严重的机械载荷和循环应力。这些部件内部存在的粗大晶粒、偏析或结构不均匀可能成为疲劳裂纹的起始点，从而严重损害其机械完整性、耐久性和整体操作安全性。因此，通过有效的晶粒细化实现精炼且均匀的微观结构对于确保关键结构部件的可靠性与性能至关重要。这一工业需求凸显了本研究的重要性，旨在将基本的流动机制与实际加工优化相结合，以提高部件质量。

综上所述，强制对流是增强晶粒细化和实现微观结构均匀性的关键因素。然而，由于涉及极端操作温度，直接测量MIAS过程中的内部流动场仍然技术上不可行。鉴于流动动力学在控制凝固行为中的核心作用，以及缺乏直接的实验数据来研究MIAS中的流动-热-溶质相互作用，填补这一知识空白对于优化MIAS加工参数至关重要。因此，本研究开发了一个耦合的数值模型，并通过热测量实验验证了其准确性，以模拟高剪切对流、热传递和凝固动力学在MIAS过程中的表现。该模型随后被用于分析在不同加工条件下，强熔体剪切如何通过流动和温度场的分析促进晶粒细化的内部机制。

为了研究熔体冲击对流动场的影响，采用COMSOL Multiphysics开发了一个有限元模型，模拟了7050铝合金在MIAS过程中的凝固行为。模型几何代表了铸锭的一个24 mm高度的横截面。数值模拟用于表征流动和温度传导，并通过与实验热测量数据的对比验证了模型的准确性。随后，该验证框架被用于模拟在不同加工条件下场分布。由于铸锭的圆柱对称性，采用了二维轴对称公式，如图1(a)所示。监测点A和B位于中径位置，高度分别为19 mm和17 mm，用于观察速度和温度的演变。计算域被离散化为非结构化三角形元素，如图1(b)所示，形成了包含7,951个节点和314个元素的网格，最小元素质量为0.5825。模拟参数设定如下：初始温度为700 °C；初始速度对应于1.0 m/s、1.5 m/s和2.0 m/s的冲击速度；熔体喷射直径为3 mm。采用稳态求解器进行计算。流动和温度场模拟通过在整个计算域内应用控制方程进行。

模型基于以下边界条件和假设进行构建。所有固体边界，包括坩埚壁和基底，均被定义为无滑移边界。水冷的冷却板（基底）被维持在恒定的25 °C温度，以模拟高效的冷却。熔体喷射口被指定为速度入口，其法向流入速度设置为1.0、1.5和2.0 m/s。入口温度固定为650 °C，对应实验中的浇注温度。顶部表面被定义为压力出口，具有开放边界条件，以允许表面移动和熔体流动。二维域的左侧被指定为对称轴。为了简化，初始假设为层流。然而，为了考虑高流速冲击可能带来的影响，采用了k-ε湍流模型。自然对流的影响被认为与强制对流相比可以忽略不计。此外，自由表面变形对流动场的影响未包含在初步模型中。

熔体喷射直径、冲击速度和初始条件根据实验设置进行设定，熔体喷射直径为3 mm，初始速度为1.0 m/s、1.5 m/s和2.0 m/s。这些参数的选择旨在尽可能贴近实验条件。层流模型用于模拟凝固的初始阶段，而基于标准k-ε两方程模型的湍流模型用于模拟熔体流动的后期阶段。近壁粘性流动采用壁函数进行处理。这些假设通过将模拟结果与实验测量在相应位置的对比得到了验证。

在MIAS过程中，熔体冲击速度对流动场和温度场的影响尤为显著。研究结果表明，随着冲击速度的增加，流动场的特征显著变化。例如，在1.0 m/s的冲击速度下，两个逆时针旋转的涡旋结构占据铸锭的右侧区域，其影响范围延伸至距熔体表面28 mm以下。随着冲击速度增加至1.5 m/s，涡旋的扩张导致影响深度增加至34 mm。进一步提高至2.0 m/s时，流动更为剧烈，影响深度达到42 mm。从0.5秒到1.5秒的时间演变展示了涡旋形成的动态过程：初始涡旋形成，随后流线持续扩展和变形，最终汇聚成稳定的循环涡旋结构。速度矢量分析揭示了峰值速度位置的迁移和主要流动方向的调整。这种动态调整机制直接反映了流动演化过程中的动量再分配，是后续凝固过程均匀性的重要调节因素。

温度场的模拟结果进一步展示了冲击速度和时间对凝固行为的影响。研究发现，冲击速度对温度分布的影响更为显著，而时间的影响相对较小。具体而言，随着冲击速度的增加，中心温度显著下降，从约630 °C（1.0 m/s）降至约490 °C（2.0 m/s）。相反，固定冲击速度下，延长冲击时间仅导致中心温度略有下降（约10–20 °C），同时高温区的径向扩展约为2–3 mm。在形态学上，液相线等温线从碗状结构演变为更明显的“W”形，而熔体深度则从约27 mm（1.0 m/s）减少至25 mm（2.0 m/s）。此外，热影响区（HAZ）的宽度随冲击速度和时间的增加而扩大，例如，在1.0 m/s下，HAZ宽度从约6 mm（0.5秒）扩展至8 mm（1.5秒），而在2.0 m/s下，HAZ宽度达到约12 mm。这些结果表明，冲击速度和时间共同影响温度场特性，其中速度主要控制梯度的形成，而时间主要影响热扩散的范围。

实验方法方面，金属学样品从铸锭的中心和外围区域提取，并进行了机械研磨和抛光处理。随后，样品在氟硼酸（2–5 vol% HBF4）的水溶液中进行阳极氧化处理，并通过Olympus GX41光学显微镜进行表征。实验设置包括一个带有陶瓷喷嘴的电阻加热石墨坩埚、一个水冷铜冷却板、一个PID温度控制系统和一个PLC控制的三轴移动平台。所有加工过程在充满氩气的密封腔室中进行，以防止氧化。7050铝合金在720 °C下熔化30分钟，随后在650 °C下通过2 mm直径的喷嘴，在0.02 MPa的氩气压力下喷射到冷却基底上。采用锯齿状沉积路径生成连续层，形成100 mm3的立方铸锭。实验设置与数值模拟直接对应，热电偶T1和T2的位置与模拟模型中监测点A和B的垂直高度和径向位置精确匹配，如图1(a)所示，从而实现了模拟与实验数据的对比，用于模型验证。热电偶T1和T2固定在L形不锈钢探针上，距离铸锭中心线径向位置为10 mm，垂直间距为3 mm。在熔体冲击过程中，这些热电偶以0.5秒为间隔记录整个凝固过程的热历史。通过将模拟得到的温度-时间曲线与实验数据进行比较，验证了模型的准确性，其根均方误差（RMSE）低于5 °C，表明模拟与实验结果高度一致。这为后续的参数优化研究提供了可靠的基础。

在模拟和实验结果中，观察到随着冲击速度的增加，平均晶粒尺寸显著减小，从约85 μm（1.0 m/s）降至约70 μm（2.0 m/s），总体减少了约15 μm。同时，晶粒的形状因子从0.80增加到0.85，再增加到0.90，表明晶粒逐渐向更等轴、更球形的形态发展。这些结果表明，提高冲击速度能够促进晶粒细化，从而改善整体的微观结构质量。此外，宏观和微观的均匀性评估显示，无论是在铸锭的边缘区域还是中心区域，均未观察到柱状晶或宏观偏析带。这表明MIAS过程在多个尺度上有效实现了微观结构的均匀化，为后续的性能评估提供了坚实的依据，并验证了MIAS在制造大尺寸、高质量材料方面的潜力。

在凝固过程中，MIAS过程对温度场的时空演化具有关键的调控作用。与传统的从外围向中心和从底部向顶部进行冷却不同，MIAS诱导的强制对流有效均匀化了温度分布，形成了独特的纵向“W”形液相线等温线，如图6所示。这种形态反映了流动驱动的传热与边界条件之间的复杂相互作用。数值流动模拟表明，随着熔体冲击速度的增加，流动模式从弱对流转变为强强制对流，产生三种显著影响，直接影响凝固质量。首先，热提取增强。强制对流显著提高了熔体与基底之间的对流传热系数，因为该系数依赖于流动速度。根据牛顿冷却定律（q = hΔT，其中q代表热通量，h表示对流传热系数，ΔT为温差），这导致熔池中的热通量显著增加。因此，熔池的平均温度下降，液相深度减少。其次，热均匀性得到改善；强制对流促进了高温熔体与相对较低温度的基底或模具区域之间的热交换，将空间温度差异减少了高达30%。这有效抑制了宏观偏析和微观偏析。第三，两相区域扩大，促进了晶粒细化；如图9所示，随着冲击速度增加，糊状区的厚度扩大了约40%，从而形成了更大的形核区域，有利于等轴晶的生长。

值得注意的是，即使在冲击速度超过1.5 m/s的情况下，MIAS仍然保持其特有的“W”形等温线形态，这与高速搅拌技术引起的显著等温线畸变或碎片化形成鲜明对比。这种热稳定性突显了MIAS在维持整个熔池内均匀凝固条件方面的有效性，这对大规模制造部件至关重要。

瞬态热分析（图7）展示了MIAS过程中典型的两阶段演变：初始快速加热阶段和随后的稳态平台阶段。中心区域稳定在约700 °C，而边缘区域稳定在约600 °C（见图7(b–d)），从而验证了从中心到边缘的受控温度梯度。强制对流不仅促进了快速冷却，还通过熔池核心向边缘的热传递增强了传热，并在糊状区诱导了次液相流动。这种流动有助于枝晶臂的断裂，并抑制了晶体的择优生长，从而促进了固液界面处的同步形核。此外，它还抑制了竞争性晶粒生长，并通过减少局部枝晶再熔化，提高了形核的存活率。这一机制与经典形核理论一致。

总结来看，强制对流通过优化熔池内的流动和温度场，促进了晶粒细化和等轴晶的形成。流动动力学诱导的枝晶断裂为等轴晶提供了形核位点。同时，均匀的溶质分布和由此产生的组成过冷增强了异质形核。此外，温度梯度和平均温度的降低有利于等轴晶的生长和稳定存在。这些机制共同作用，随着冲击速度的增加，显著减小晶粒尺寸并增加等轴晶的比例。因此，强制对流在MIAS过程中通过多种途径促进了微观结构的演化，为工业应用中的材料性能优化提供了理论支持。