一种基于有限元模拟优化的强韧高阻燃镁合金及其制备方法

本发明涉及镁合金制备与金属成型工艺，具体地说，涉及一种基于有限元模拟优化的强韧高阻燃镁合金及其制备方法。

背景技术：

1、am50铸造镁合金凭借低成本、优良充型能力，被广泛应用于新能源汽车轻量化零部件。向am50基体中添加ca元素可在熔体表面生成致密cao/mgo复合氧化膜，大幅提升合金燃点，是无稀土低成本阻燃改性的主流路线。

2、然而，ca添加量达到1.0wt.%及以上时，合金凝固阶段会沿晶界析出粗大、连续网状的al2ca和al4ca脆性金属间化合物，该网状相完整割裂α-mg镁基体，导致合金延伸率由基体的11.7%断崖式跌落至1%左右，出现“高阻燃必低塑性”的性能矛盾。

3、为解决此问题，已有技术在熔炼过程中施加超声场，利用超声空化效应产生的瞬时高温高压及声流效应的搅拌作用破碎网状脆性相并细化晶粒。例如，公开号为cn120843869a的中国专利申请公开了一种am50系镁合金阻燃性能与力学性能协同提升的复合工艺方法，其通过在720℃至630℃温度区间内施加超声处理，筛选出1.5-2kw、15-20min的最佳参数区间。

4、但包括上述cn120843869a在内的现有超声改性技术，其工艺参数的筛选完全依赖于反复的实体铸造试错试验，存在以下固有缺陷：一方面，多批次对照试验导致研发周期长、原材料和电能损耗大；另一方面，试错法无法量化预判熔体内部的声流场分布及空化屏蔽效应，例如2kw高功率下熔体表层极易聚集空泡形成阻抗层导致能量传递失效，但现有技术仅凭定性经验无法提前识别此类无效区间。

5、可见，现有技术的本质缺陷在于缺少一种能够前置量化评估超声工艺参数有效性的数值模拟手段，导致工艺优化效率低下、参数选择存在盲目性。目前尚无采用有限元模拟前置筛选含ca镁合金超声工艺窗口的技术方案。

技术实现思路

1、针对现有含ca镁合金超声处理工艺完全依赖试错法筛选参数、缺乏前置量化评估手段的技术缺陷，本发明提供一种基于有限元模拟优化的强韧高阻燃镁合金及其制备方法。

2、本发明通过在实体试验前置入procast有限元模拟步骤，量化评估不同超声功率下的熔体流场分布及空泡屏蔽风险，据此精准锁定最优工艺窗口，进而指导熔炼、梯度控温超声处理和浇注成型，最终同步实现合金高阻燃性与优异强塑性的协同提升。

3、为实现上述目的，本发明提供了一种基于有限元模拟优化的强韧高阻燃镁合金的制备方法，包括以下步骤：

4、s1、有限元模拟预优化：建立镁合金熔体的三维模型，输入合金熔体的热物性参数；分别施加至少两组不同功率的超声动量源进行有限元模拟，获取模拟输出的熔体流场分布数据；根据流场分布数据，筛选确定超声功率和/或超声处理时长的最优工艺窗口。

5、s2、熔炼：按照镁合金的成分配比进行熔炼，得到合金熔体。

6、s3、超声处理：按照s1确定的最优工艺窗口，对合金熔体施加超声处理。

7、s4、浇注成型：将超声处理后的合金熔体浇注成型，得到镁合金。

8、进一步的，s1中热物性参数包括合金熔体的粘度、密度和体积模量；有限元模拟采用procast软件，通过lighthill声流等效动量源建模法，将超声振动转化为熔体体积驱动力。

9、进一步的，s1中筛选确定最优工艺窗口包括：

10、对比不同功率下的熔体全域流场覆盖率，剔除存在流动盲区的功率区间；

11、对比不同功率下的空泡分布，剔除存在空化屏蔽层的功率区间；

12、对比不同超声时长下的流场衰减规律，剔除超声处理时长为5min的工艺区间和超声处理时长为25min的工艺区间。

13、进一步的，s1中最优工艺窗口为：超声功率1.5kw，超声处理时长20min，超声处理的起止温度区间为660℃至630℃。

14、进一步的，s2中熔炼温度为720℃，熔炼过程中通入体积比为99:1的co2/sf6混合保护气，保温30min除渣。

15、进一步的，s3中采用tc4钛合金变幅杆施加超声处理，变幅杆预热至200℃后垂直插入熔体1/2深度；超声处理的终点温度为630℃，630℃对应合金固相率为10%；s4中浇注为底注式浇注，模具预热至200℃。

16、本发明还提供一种基于有限元模拟优化的强韧高阻燃镁合金，由上述制备方法制备得到，按质量百分比计，镁合金包含：al 4.8%～5.2%，ca 1.15%～1.25%，mn 0.26%～0.30%，余量为mg。

17、进一步的，镁合金的平均晶粒尺寸≤100μm，第二相连续率≤18%，基面织构强度≤6mrd。

18、进一步的，镁合金的延伸率≥9%，抗拉强度≥185mpa，燃点≥825℃。

19、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

20、1、传统无模拟超声工艺需开展多组功率-时长对照试铸，原材料与电能损耗高，研发周期不低于15天。本发明通过procast有限元模拟前置筛选，直接剔除无效工艺，仅需1组最优参数实体试验即可完成验证，研发周期缩短约70%，单次工艺优化电能消耗降低约32%。有限元模拟同时揭示了2kw高功率下空化屏蔽效应的量化机理。

21、2、经有限元锁定最优工艺窗口后，合金平均晶粒尺寸由无超声基体的434.7μm骤减至90.8μm，细化幅度达79.1%；原本连续网状的al2ca/al4ca脆性相被破碎为细小弥散颗粒，第二相等效直径由9.2μm细化至4.0μm，第二相连续率由24.5%下降至16.0%，降幅达34.7%，大幅消除了变形过程中的晶界应力集中；铸造基面织构强度由13.6mrd降至4.9mrd，晶粒取向更为均匀，变形协调能力大幅提升。

22、3、经本发明最优工艺处理后，合金屈服强度为83.7mpa，抗拉强度为188.6mpa，延伸率为9.2%。与无超声am50-1.2ca基体相比，屈服强度提升约27%，抗拉强度提升约27.7%，延伸率由4.0%提升至9.2%，塑性提升幅度达73.6%。拉伸断口表征显示，本发明合金断口布满均匀韧窝，无大面积解理脆性面，呈现典型的韧性断裂特征。

23、4、ca元素含量稳定控制在1.15%～1.25%，合金原生燃点为817℃；经本发明有限元优化超声处理后，ca元素在熔体内均匀分散，无局部ca贫瘠区，表面可生成完整致密的cao/mgo复合氧化膜，燃点提升至830℃，满足新能源汽车高温部件安全标准。

24、5、本发明无需添加稀土元素，仅采用廉价ca进行微合金化改性；有限元模拟规避了无效高功率超声能耗，量产阶段单件铸件超声处理能耗下降约28%；底注成型减少了铸件气孔和夹杂缺陷，铸件良品率提升约12%。

1.一种基于有限元模拟优化的强韧高阻燃镁合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，s1中所述热物性参数包括合金熔体的粘度、密度和体积模量；所述有限元模拟采用procast软件，通过lighthill声流等效动量源建模法，将超声振动转化为熔体体积驱动力。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，s1中所述筛选确定最优工艺窗口包括：

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，s1中所述最优工艺窗口为：超声功率1.5kw，超声处理时长20min，超声处理的起止温度区间为660℃至630℃。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，s2中所述熔炼温度为720℃，熔炼过程中通入体积比为99:1的co2/sf6混合保护气，保温30min除渣。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，s3中采用tc4钛合金变幅杆施加超声处理，所述变幅杆预热至200℃后垂直插入熔体1/2深度；超声处理的终点温度为630℃，所述630℃对应合金固相率为10%；s4中所述浇注为底注式浇注，模具预热至200℃。

7.一种基于有限元模拟优化的强韧高阻燃镁合金，由权利要求1至6中任一项所述的制备方法制备得到，其特征在于，按质量百分比计，所述镁合金包含：al 4.8%～5.2%，ca1.15%～1.25%，mn 0.26%～0.30%，余量为mg。

8.根据权利要求7所述的基于有限元模拟优化的强韧高阻燃镁合金，其特征在于，所述镁合金的平均晶粒尺寸≤100μm，第二相连续率≤18%，基面织构强度≤6mrd。

9.根据权利要求7所述的基于有限元模拟优化的强韧高阻燃镁合金，其特征在于，所述镁合金的延伸率≥9%，抗拉强度≥185mpa，燃点≥825℃。