一种超细硬质合金台阶圆棒PIM充模过程的数值模拟方法与流程

本发明属于粉末冶金近净成形技术领域，特别涉及一种超细硬质合金台阶圆棒PIM充模过程的数值模拟方法。

背景技术：

超细晶WC-Co硬质合金，由于其高强度、高硬度和高耐磨性，广泛应用于工具、模具和耐磨零件，包括金属切削刀具、拉丝和冲压成形模具、密封环、喷嘴等许多领域。

超细硬质合金粉末注射成形(PIM)，不仅能获得高强度、高硬度和高耐磨的合金，而且能制备出复杂形状的近净成形制品，具有常规粉末冶金和机加工方法无法比拟的优势。

粉末注射成形的充模过程是一个非牛顿流体的非等温、非定常的复杂流动，是一个包括固相的粉末颗粒、液相的粘结剂和模腔中气体的多相流动过程。由于超细WC/Co混合料存在颗粒团聚，振实密度仅为理论密度的25～40％；超细WC/Co喂料中仍存在粉末团聚颗粒，粘结剂包裹WC/Co颗粒不充分，喂料热稳定性低，粉末团聚使得超细喂料流动性降低幅度最高达到60％，生产过程难以有效地控制，试验研究成本高。随着计算机技术的发展，对于传统的模具生产中的反复调试和修正过程，数值模拟可以有效优化工艺参数，提高模具质量，降低生产成本。而目前，未见超细硬质合金注射成形充模过程数值模拟的相关报道。

技术实现要素：

针对现有技术不足，本发明提供了一种超细硬质合金台阶圆棒PIM充模过程的数值模拟方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种超细硬质合金台阶圆棒PIM充模过程的数值模拟方法，包括以下步骤：

1)对台阶圆棒进行模型简化，设定充模入口与充模出口，建立台阶圆棒三维几何模型；

2)对步骤1)所述台阶圆棒三维几何模型进行网格划分，建立有限元模型；

3)对步骤2)所述有限元模型进行物理定义，根据现场超细硬质合金注射成形的操作环境以及在不影响计算准确性的情况下，对型腔中气液固多相流充模流动过程进行假设和简化，具体设定如下：

(a)定义多流相物质：分别命名WC/Co混合料、粘结剂混合物和空气为powder、binder和air，分别定义powder、binder和air各自的参数，包括热力学状态、摩尔质量、理论密度、比热、粘度、热传导系数；

(b)定义模拟类型：选择非稳态模拟，设定时间参数；

(c)定义多相流体域：为台阶圆棒创建域，定义流体模型及流体详细信息；

(d)定义边界条件：包括充模入口(inlet)、充模出口(outlet)和模壁(wall)的边界条件，分别给出具体边界条件；设定初始值，包括模腔内的温度、压力，模腔内powder、binder和air各自的速度及体积分数；

(e)设定求解控制：选择二价向后欧拉公式求解精度，物理变量包括粘度、压力、速度、温度、密度、热流、体积分数；

4)数值模拟计算：采用有限体积法进行求解，并通过残差和求解信息及时检查计算中存在的问题和/或查看求解的准确程度；

5)对收敛的模拟计算结果进行可视化分析，得到充模过程中powder、

binder和air各自的速度分布、温度分布、压力分布、体积分数分布、粘度分布，分析工艺参数对充模过程的影响、优化粘结剂配方、确定WC/Co混合料的喂料临界粉末装载量。

步骤1)中，以模腔实际浇口为充模入口，以浇口远端为充模出口。

步骤2)中采用非结构的四面体网格划分，全局网格尺寸为0.2mm，其中，模腔内壁、充模入口内壁和充模出口内壁呈圆弧状，在生成四面体网格后，再使用三菱柱网格细化圆弧边缘，经检验网格质量达到0.4，满足计算要求。

步骤3)(a)中，WC/Co混合料的WC粉末粒度为0.2μm～0.6μm，Co的质量百分含量为6％～15％；粘结剂的物质参数为理论计算、参考文献或实际测量所得。

步骤3)(b)中，设定总持续时间为0.05s、时间步长为5×10^-5s、初始时间为0s。

步骤3)(c)中，为台阶圆棒创建域，命名为STEP BAR；开启浮力模型，浮力参考密度为1.185g·cm^-3；域模型的参考压强为1atm；浮力模型为Buoyant，Y方向重力加速度为-g，X、Z方向重力加速度为0m·s^-2，浮力参考密度设定为三个相中密度较小相的密度，即空气密度；域设定为静止；无网格变形。

步骤3)(c)中，流体模拟中多相选项设置为非均相，热量传输模型设置为热焓能，湍流模型设置为层流模型。

步骤3)(c)中，流体模拟中流体对(air|binder)和(air|powder)相间传递均为自由表面模型，表面张力系数设置为0.072N·m^-1，拖拽力系数为0.44Pa^-1·s^-1，无物质传输；流体对(binder|powder)相间传递为混合模型，界面交互深度设置为0.2μm～0.6μm，拖拽力系数为0.44Pa^-1·s^-1～14.4Pa^-1·s^-1。

步骤3)(d)中，充模入口(inlet)的边界条件为，设定流体为亚声速，质量和动量设定为标准速度0～20m·s^-1，热量传输设定为静态温度423K，流体值中powder、binder和air的体积分数分别为其中，充模出口(outlet)的边界条件为，设定流体为亚声速，质量和动量设定为平均静态压力，相对压力为0Pa，混合因子为0.05；模壁(Wall)边界条件设定为无滑移，热量传输温度为298K。

步骤3)(d)中，初始值设定：给定t＝0时刻模腔内的温度T＝298K，压力P＝1atm，powder、binder和air的速度为v_p＝v_b＝v_a＝0.0001m/s，air的体积分数powder和binder的体积分数为

步骤3)(e)中，收敛控制中计算最小步数为1步、最大步数为100步，收敛方案为均方根残差值RMS＝1×10^-4，瞬态时间步为10步。

步骤4)中，数值模拟采用基于有限体积法的粉末-粘结剂多流体模型，假定粉末颗粒与粘结剂在空间任意位置是共同存在且可以相互渗透的连续介质，粉末与粘结剂属于彼此独立而又相互作用的两种流体。

进一步地，所述多流体模型中，当相界面处不发生相变，两相间无质量交换，且忽略脉动项，符合用平均化方法得到的两相流质量、动量和能量守恒方程，PIM充模流动过程的雷诺数较小，可取Nu≈2，其拖拽力采用混合模型。

本发明的有益效果为：

本发明通过等效粉末、多流体模型、优化流体出入口、细化网格模型、合理设定流体对相互作用，可以有效提高模拟过程的收敛性，克服粘结剂和粉末的密度差大、粘度差大、界面交互深度小等造成的计算易发散的难题，实现了喂料熔体充模流动过程的可视化，可以有效掌握粉末和粘结剂各自的速度、温度和粘度物理场分布等充模特性，优化粘结剂配方，确定临界粉末装载量，从而改善其PIM工艺。本发明可以用来考察超细硬质合金喂料充模过程中的气泡、塌陷等缺陷，分析充模过程的偏析产生根源及其影响因素，预测PIM充模过程中裂纹、气孔、熔接线等缺陷产生信息，为分析超细硬质合金PIM工艺条件和喂料性质、指导工艺参数和模具设计提供有用信息。

本发明的模拟过程与结果容易与实验结果进行比较，模型计算量小，初始条件易于给定并且求得的结果易于应用。

附图说明

图1为实施例中超细WC/10Co硬质合金PIM充模模腔的(a)UG模型和(b)有限元模型示意图。

图2为超细WC/10Co喂料充模过程中垂直于浇口的中心平面上的喂料熔体体积分数分布和粉末温度分布变化图。

图3为实施例中超细WC/10Co硬质合金PIM充模0.03s时纵向中心线上粘结剂和粉末的速度差分布图，其中，粉末装载量为49％，浇口为Z＝31mm处。

图4为实施例中粉末装载量对超细WC/10Co硬质合金PIM充模过程中(a)粘结剂与(b)粉末沿浇口方向的体积分数分布影响图，其中，X＝2.8mm为浇口处。

图5为实施例中粉末装载量对粉末和粘结剂的体积分数分布的影响(浇口处水平截面)。

图6为不同粉末装载量对WC-10Co合金性能的影响：(a)硬度与抗弯强度；(b)密度；(c)相对磁饱和。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

以超细WC/10Co硬质合金PIM充模过程进行数值模拟为例，说明本发明一种超细硬质合金台阶圆棒PIM充模过程的数值模拟方法。具体按照以下步骤实施：

1)建立有限元模型：a)对台阶圆棒进行模型简化，以模腔实际浇口为充模入口，以浇口远端为充模出口，采用三维画图软件UG NX5.0对模腔建立台阶圆棒三维几何模型，其为单侧出口模型，如图1(a)所示，导出x_t格式文件；b)将步骤a)中得到的文件导入到ANSYS ICEM CFD 13.0软件，采用非结构的四面体网格划分，全局网格尺寸为0.2mm，其中，模腔内壁、入口内壁和出口内壁呈圆弧状，在生成四面体网格后，再使用三菱柱网格细化圆弧边缘，经检验网格质量达到0.4，满足计算要求，导出CFX5格式文件，并进行网格分析，得到最佳网格数值模型；c)将步骤b)中得到的文件导入到有限元软件ANSYS CFX 13.0中得到有限元模型，如图1(b)所示。

2)域前设定：分别命名WC/Co混合料、粘结剂混合物和空气为powder、binder和air，分别定义powder、binder和air各自的参数。模拟WC/Co混合料为WC/10Co混合料，其WC粉末粒度为0.6μm；粘结剂混合物由石蜡、低分子耦合剂和高分子聚合物组成，各组分构成及各组分的质量百分含量为：蜡为硬质合金专用蜡，共占63％；高分子聚合物为高密度聚乙烯、聚丙烯和低密度聚乙烯，共占30％；低分子耦合剂为硬脂酸和邻苯二甲酸二辛脂，共占7％。powder的热力学状态为Liquid，binder的热力学状态为Liquid，air的热力学状态为Gas，主要物质参数如表1所示。

表1 WC/10Co和粘结剂物性参数

^▲为理论计算或假设值；^#为实际测量值；*为参考文献值。

3)定义模拟类型：选择非稳态模拟，设定总持续时间为0.05s、时间步长为5×10^-5s、初始时间为0s。

4)生成域：为台阶圆棒创建域，命名为STEP BAR；开启浮力模型，浮力参考密度为1.185g·cm^-3；域模型的参考压强为1atm；浮力模型为Buoyant，Y方向重力加速度为-g，X、Z方向重力加速度为0m·s^-2，浮力参考密度设定为三个相中密度较小相的密度，即空气密度；域设定为静止；无网格变形；流体模拟中多相选项设置为非均相，热量传输模型设置为热焓能，湍流模型设置为层流模型。流体模拟中，流体对(air|binder)和(air|powder)相间传递均为自由表面模型，表面张力系数设置为0.072N·m^-1，拖拽力系数为0.44Pa^-1·s^-1，无物质传输；流体对(binder|powder)相间传递为混合模型，界面交互深度设置为0.2μm，拖拽力系数为3.6Pa^-1·s^-1。

5)定义边界条件：超细WC/10Co喂料PIM充模过程边界条件如表2所示，其中通过设定分别为0.49、0.53、0.57、0.61(对应分别为0.51、0.47、0.43、0.39)，考察不同粉末装载量(分别为49％、53％、57％和61％)对WC/Co喂料充模过程的影响，以获得合理粉末装载量。

表2 PIM充模过程边界条件

超细WC/10Co喂料PIM充模过程的初始条件如表3所示。

表3 PIM充模过程初始条件取值

6)设定求解控制：选择二价向后欧拉公式求解精度，收敛控制中计算最小步数为1步、最大步数为100步，收敛方案为均方根残差值RMS＝1×10^-4，瞬态时间步为10步。物理变量选择主要有binder和powder的粘度、压力、速度、温度、密度、热流、体积分数。

7)输出后缀名为def的数值计算文件，导入CFX-Solver中定义模拟计算，采用基于有限体积法的粉末-粘结剂多流体模型，假定粉末颗粒与粘结剂在空间任意位置是共同存在且可以相互渗透的连续介质，粉末与粘结剂属于彼此独立而又相互作用的两种流体。

所述的多流体模型中，当相界面处不发生相变，两相间无质量交换，且忽略脉动项，符合用平均化方法得到的两相流质量、动量和能量守恒方程，PIM充模流动过程的雷诺数较小，可取Nu≈2，其拖拽力采用混合模型。

通过残差和求解信息及时检查计算中存在的问题和/或查看求解的准确程度。

8)采用CFD-Post 13.0分析模拟结果。对收敛的模拟计算结果进行可视化分析，得到充模过程中powder、binder和air各自的速度分布、温度分布、压力分布、体积分数分布、粘度分布，分析工艺参数对充模过程的影响、优化粘结剂配方、确定WC/Co混合料的喂料临界粉末装载量。

9)将不同工况下的模拟计算结果与实验结果相对比，验证模型的合理性。

本实施例中超细WC/10Co喂料充模过程中垂直于浇口的中心平面上的喂料熔体体积分数分布和粉末温度分布变化图如图2所示。由图2可知，通过本发明所述的充摸过程的数值模拟，可以对充模过程中粘结剂、粉末和空气等各自的温度场、分布体积分数等进行分析。同样，可通过速度场、粘度场、密度场等物理场进一步分析喂料充模过程中各相的充模特性，进一步地分析气泡、偏析等缺陷的产生原因。因此，本发明有利于有效掌握粉末和粘结剂的各自充模特性，考察超细硬质合金喂料充模过程中的气泡、塌陷等缺陷的产生，为分析工艺条件和喂料性质、指导工艺参数和模具设计提供有用信息。

本实施例中超细WC/10Co喂料充模0.03s时纵向中心线上粘结剂和粉末的速度差分布图如图3所示，其中，粉末装载量为49％，浇口为Z＝31mm处。熔体在浇口处的粘结剂和粉末的速度差大，随着进一步充模，其速度差减小，当流入窄截面后，粘结剂和粉末的速度增大，其速度差也随之增大，随着流动距离的进一步增加，其速度差随之增大。故充模过程中，熔体流动距离越长，其粘结剂和粉末的速度越低，其速度差越大，偏析现象越严重，相分离趋势越大。因此，当浇口附近的速度差与浇口处相近时，此时喂料的粉末装载量为其临界粉末装载量，故通过本发明所述的充模过程的数值模拟，可以确定超细硬质合金WC/10Co的临界粉末装载量。

本实施例可以分析粉末装载量对超细WC/10Co硬质合金PIM充模过程中粘结剂与粉末沿浇口方向体积分数分布的影响，如图4和图5所示，其中，X＝2.8mm为浇口处。可见，不同粉末装载量时，粘结剂和粉末的体积分数分布基本相同，当时，粘结剂和粉末分布最稳定，即超细WC/10Co喂料的合理装载量在53％左右。

本发明得到的WC/10Co喂料的合理装载量为53％，与实验结果相一致，由图6可以得到当装载量为53％时，WC-10Co合金综合性能最佳，因此，本发明的数值模拟方法合理，可以有效分析充模过程的偏析产生根源及其影响因素，为分析工艺条件和喂料性质、指导工艺参数和模具设计提供有用信息。