模拟铝铸件中的氧化物的方法
【专利摘要】模拟铝铸件中的铝氧化物缺陷的方法，包括确定铝熔体中的多个铝颗粒的自由表面积，存储每个铝颗粒的自由表面积，跟踪充模过程中的自由表面积变化，并基于充模过程中的自由表面积变化的总面积。所述方法可以进一步包括将标量变量方法和离散颗粒法结合在一起来模拟铝铸件中的铝氧化物缺陷。
【专利说明】模拟铝铸件中的氧化物的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及预测铝铸件中的铝氧化物，更具体地，涉及模拟和预测在充模过程中 形成的铝新（young)氧化物的尺寸和体积分数的方法和技术。
【背景技术】
[0002] 当暴露于包含氧气的大气中时，氧化物膜在铝合金上形成。具体地，铝在空气（反 应式（1))或水分（反应式（2和3))的存在下容易氧化，在任何暴露的铝金属表面，包括液 体和固体表面上迅速形成薄的、强的保护性氧化物膜。 4A1 + 302 - 2A1203 (1) 3H20 + 2A1 -A1203 + 3H2 (2) H2 - 2 [H]趣： （3)。
[0003] 因为铝氧化物热力学非常稳定，它通常存在于所有铝合金中。因此，任何炉料 包含不可避免的量的氧化铝作为典型的涂层，构成外来夹杂物来源。在铸造工艺的充 模过程中，当熔体前沿的自由表面接触空气时，特别是当液体熔体速度产生湍流时，形 成额外的铝氧化物。往往将已存在于熔融炉中的氧化物(称为"老氧化物"）和在充模 过程中生成的那些(称为"新氧化物"）加以区分Campbell,J.，Castings,Elsevier Butterworth-Heinemann，2003 ;Q.G.Wang,C.J.Davidson,J.R.Griffiths,和P.N. Crepeau,"OxideFilms,Pores和TheFatigueLivesofCastAluminumAlloys"， Metall.Mater.Trans.第37B(2006)卷，第887-895页。对于新氧化物，夹带的原因被记 述为"表面湍流"，表示现象，如两个或更多个流动前沿结合在一起（双层氧化膜（bifilms)、 流痕、褶皱和冷隔），液体的表面积收缩（氧化物表面折叠），或气泡穿过液体。
[0004] 新氧化物比老氧化物对材料性能更有害。由于新氧化物中干侧对干侧折叠的氧化 物膜之间缺乏润湿，夹带的氧化物在凝固过程中展开，并且就像凝固中的铝铸件中的空隙 或裂缝一样。这些裂缝不仅可以是孔形成的初始位置，而且也可以被冻成固体，并且可以显 著降低铸件的拉伸和疲劳强度。双层氧化膜也可以引起热撕裂。夹带的氧化物被认为会增 加熔体粘度，从而减小流动性，从而对铸件的注入有负面影响。表面氧化物皮会显著增加熔 体的表面张力，并增加形成冷隔、流痕、滞流的可能性。
[0005] 在许多情况下，如高压压铸，容易发生铝熔体的湍流。如果液态金属的速度在该流 中的一些点上足够高以致在重力下落回并包埋其自己表面的一部分，则会出现包埋的新氧 化物的问题。对于八1、]\%、1'；[和？6合金该临界速度被认为是0.45111/8-0.5111/8。0311^匕611， J.，ElsevierButterworth-Heinemann, 2003。可取的是保持在该临界速度下 以显著减少铸件中的氧化物的数量。然而，在重力铸造工艺中，浇注杯或直浇口中的速度很 容易超过0.5m/s。由此甚至在金属进入铸造或流道系统之前氧化物就形成了。这些氧化 物会被带到铸造中并且与在流道或铸造腔中形成的氧化物具有同样不利的影响。低压铸造 工艺提供对填充速度的改进的控制，因此通常减少了氧化物形成。然而，在浇口中的速度仍 然可能超过0.5m/s，导致夹带的氧化物的形成。
[0006] 为了最小化并最终消除最终铸铝产品中的氧化物，期望预测铸铝零件中的氧化物 缺陷以能够开发优化的浇口 /冒口系统、过滤和填充剖面（fillprofile)。
[0007] 尽管有强烈的实际需要来模拟和预测在充模过程中形成的铝新氧化物的大小和 体积，但还没有报道可靠的方法或技术。
【发明内容】
[0008] 鉴于上述和其他问题，本公开包括本发明的特征，其使得能够在充模过程中预测 和模拟氧化物形成。
[0009] 根据本发明的一个实施方案，提供了模拟铝铸件中的铝氧化物缺陷的方法，其包 括确定铝熔体中的多个铝颗粒的自由表面积，存储每个铝颗粒的自由表面积，跟踪充模过 程中的自由表面积变化，和基于充模过程中的自由表面积变化计算夹带的或表面的氧化物 膜的总面积。
[0010] 根据本发明的另一实施方案，提供了模拟铝铸件中的铝氧化物缺陷分布的方法， 其包括通过考虑夹带的铝氧化物颗粒在液态铝中的浮力、夹带的氧化物颗粒移动通过液态 铝的阻力、巴塞特力、和由夹带的铝氧化物颗粒通过液态铝时的加速或减速而增加的质量 来跟踪夹带的铝氧化物颗粒的运动。
[0011] 根据本发明的另一实施方案，提供了模拟铝铸件中的铝氧化物缺陷的方法，其包 括确定铝熔体中的每个铝颗粒的自由表面积，存储每个铝颗粒的自由表面积，跟踪充模过 程中的自由表面积变化，基于充模过程中的自由表面积变化计算夹带的或表面的氧化物膜 的总面积，确定产生的双层氧化膜的总面积，确定产生的流痕的总面积，并确定产生的冷隔 的总面积。通过对于每个颗粒存储以大于135度的角度相遇的流体前沿之间的接触面积并 对所有颗粒面积求和来计算双层氧化膜的总面积。通过存储在低于液相线的温度下产生的 双层氧化膜的面积来计算流痕的总面积。通过存储在低于凝固范围的中值温度下产生的双 层氧化膜的面积来计算冷隔的总面积。
[0012] 具体地，本发明涉及以下方面： 1.模拟铝铸件中的铝氧化物缺陷的方法，包括： 确定铝熔体中的多个铝颗粒的自由表面积； 存储每个铝颗粒的自由表面积； 跟踪冲模充模过程中的自由表面积变化；和 基于充模过程中的自由表面积变化计算夹带的或表面的氧化物膜的总面积。
[0013] 2.根据方面1所述的方法，其中通过计算机用程序化在其内的所述算法来执行所 述方法。
[0014] 3.根据方面1所述的方法，其中将标量变量法和离散颗粒法结合在一起来模拟铝 铸件中的铝氧化物缺陷。
[0015] 4.根据方面1所述的方法，进一步包括确定产生的双层氧化膜的总面积，其中对 于所述多个颗粒中的每一个，通过存储以大于135度的角度相遇的流体前沿之间的接触面 积并对所有颗粒面积求和来计算双层氧化膜的总面积。
[0016] 5.根据方面4所述的方法，进一步包括确定产生的流痕的总面积，其中通过存储 在低于液相线的温度下产生的双层氧化膜的面积来计算流痕的总面积。
[0017] 6.根据方面4所述的方法，进一步包括确定产生的冷隔的总面积，其中通过存储 在低于凝固范围的中值温度的温度下产生的双层氧化膜的面积来计算所述冷隔的总面积。
[0018] 7.根据方面1所述的方法，进一步包括确定所述铝熔体在多个位置上的速度。
[0019] 8.根据方面6所述的方法，其中使用以下算法来确定铝熔体的速度：
【权利要求】
1. 模拟铝铸件中的铝氧化物缺陷的方法，包括： 确定铝熔体中的多个铝颗粒的自由表面积； 存储每个铝颗粒的自由表面积； 跟踪冲模充模过程中的自由表面积变化；和 基于充模过程中的自由表面积变化计算夹带的或表面的氧化物膜的总面积。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中将标量变量法和离散颗粒法结合在一起来模拟铝 铸件中的铝氧化物缺陷。
3. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括确定产生的双层氧化膜的总面积，其中对 于所述多个颗粒中的每一个，通过存储以大于135度的角度相遇的流体前沿之间的接触面 积并对所有颗粒面积求和来计算双层氧化膜的总面积。
4. 根据权利要求1所述的方法，其中使用以下算法来确定铝熔体的速度：
使用以下算法来追踪自由表面积
；和 使用以下算法来确保质量守恒
5. 根据权利要求1所述的方法，其中通过以下算法来描述离散的夹带的氧化物颗粒的 运动：
6. 根据权利要求4所述的方法，其中通过以下算法来描述离散的夹带的氧化物颗粒的 运动·
7. 根据权利要求6所述的方法，其中通过计算机用程序化在其内的所述算法来执行所 述方法。
8. 根据权利要求2所述的方法，其中， 使用以下算法来确定铝熔体的速度：
使用以下算法来追踪自由表面积：
使用以下算法来确保质量守恒：
通过以下算法来描述夹带的或表面的氧化物膜的运动：
9. 模拟铝铸件中的铝氧化物缺陷的方法，包括： 通过考虑夹带的铝氧化物颗粒在液态铝中的浮力、夹带的氧化物颗粒移动通过液态铝 的阻力、巴塞特力、和由夹带的铝氧化物颗粒通过液态铝时的加速或减速而增加的质量来 跟踪夹带的铝氧化物颗粒的运动。
10. 模拟铝铸件中的铝氧化物缺陷的方法，包括： 确定铝熔体中的每个铝颗粒的自由表面积； 存储每个铝颗粒的自由表面积； 跟踪在冲模充模过程中的自由表面积变化；和 基于充模过程中的自由表面积变化计算夹带的或表面的氧化物膜的总面积； 确定产生的双层氧化膜的总面积； 确定产生的流痕的总面积；和 确定产生的冷隔的总面积；其中 通过对于每个颗粒存储以大于135度的角度相遇的流体前沿之间的接触面积并对所 有颗粒面积求和来计算双层氧化膜的总面积； 通过存储在低于液相线的温度下产生的双层氧化膜的面积来计算流痕的总面积； 通过存储在低于凝固范围的中值温度的温度下产生的双层氧化膜的面积来计算所述 冷隔的总面积； 使用以下算法来确定铝熔体的速度：
使用以下算法追踪自由表面积：
；和 使用以下算法来确保质量守恒
；以及 通过以下算法来描述离散的夹带的氧化物颗粒的运动：
【文档编号】G06F19/00GK104368800SQ201410397111
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年8月13日 优先权日:2013年8月13日
【发明者】Q.王 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司