【正文】 ....................... 12 造型 ......................................................... 13 網(wǎng)格劃分 ..................................................... 14 物性參數(shù)計算 ...................................................... 14 工藝參數(shù) 對充型影響的數(shù)值模擬 ...................................... 20 3． 澆鑄溫度對充型的影響 ........................................ 20 鑄型溫度對充型的影響 ......................................... 23 澆鑄速度對充型的影響 ......................................... 25 數(shù)值模擬確定的充型影響從而控制優(yōu)化工藝參數(shù) ........................ 27 模擬后的薄板組織 .................................................. 28 致謝 ..................................................................... 32 參考文獻 ................................................................ 33 第 1 頁 共 34 頁 真空吸鑄 TiAl 基合金亞快速凝固行為研究 學 生：熊凌云 指導老師：葉喜蔥 三峽大學機械與動力學院 【 摘要 】 ： TiAl 合金具有的優(yōu)點有密度低、彈性模量高、高溫強度高、抗蠕變性能高好、高溫抗氧化性能強，是飛機發(fā)動機和火箭動力系統(tǒng)所用的新一代高溫結構材料中的候選材料之一。對不同的澆鑄溫度，澆鑄速度和鑄型溫度進行模擬，并對模擬后的凝固分數(shù)，應力，縮松、縮孔進行分析。The mold temperature was 600℃ , 400℃ , 200℃ and 0℃ are simulated and analyzed, The best overall performance finally found is mold temperature at 200℃ 。 因為 TiAl 基合金熔體自身粘度大、流動性差、且在高溫條件下輕易和其他物質(zhì)發(fā)生化學反應的這些缺點，使得 TiAl基合金成型尤其艱難，于是很多研究工作者嘗試不同的成型方法，目前運用到 TiAl基合金成型的方法有很多。德國學者 A. Choudhury 和及 M. Blum 研究發(fā)現(xiàn) [5]，鑄型加熱到 1000℃才可以防止鑄件中縮孔缺陷的發(fā)生。早在 1950 年，就有美國科學家對 TiAl 基合金的性能進行了研究，結果發(fā)現(xiàn) TiAl 基合金的溫室塑性太差，而放棄研究。國內(nèi)在 TiAl合金的研究起步比較晚，沒有歐美起步早。一般來說，經(jīng)過熱處理 TiAl基合金可以獲得四種組織：全片層組織、近片層組織、雙態(tài)組織、近 γ 組織。近γ組織 (NG)， 在剛高于共析溫度的γ+α 兩相區(qū)進行熱處理，得到基本都是由等軸γ晶粒所組成的組織，通常含有少量的細小 α相顆粒在γ晶界 [9]。 (4)在基體中參加塑性纖維 或加入塑性粒子。由于 TiAl 合金的密度比較小，可以用與空行航天這些急需減重的高科技行業(yè)，還可以用來制造汽車的發(fā)動機，制作一些發(fā)動機的部件，例如，用來制造汽車的排氣閥，從而使得汽車的排氣閥質(zhì)量減輕，進而減少噪音，改進發(fā)動機性能。當我們選用粉末冶金技術時，首先得制備出純度、粒度符合要求的 TiAl合金粉末，并且再經(jīng)過模壓、擠壓、燒結等技術處理手段才能是 TiAl 合金成行，而在粉末冶金成行方法得到 的成品致密程度是限制粉末冶金使用的主要因素，致密度往往與 TiAl合金的成分、顆粒大小、燒結時間、燒結溫度及加熱速度有關。其缺點是在燒結的時候容易造成體積膨脹，導致成品致密度不高，合金組織均勻性差。熔模鑄造成本比較低，并且熔模鑄造可以得到尺寸精確、表面光滑的鑄件，最主要的特征是可以得到尺寸精度高、表面粗糙度小的鑄件，熔模鑄造還可以鑄造形狀復雜的鑄件，熔模鑄造還不受材料的限制，對于難以鍛造和難以加工的合金材料來說，熔模鑄造是一個非常好的選擇，而且鑄造精度高，可以進行精鑄。由于離心鑄造時鑄型的旋轉速度很快，充型時金屬液在強大的離心力的作用下而充滿型腔，并凝固，使得合金液的充型能力更強，鑄造出來的鑄件更加致密。 鍛造成型 對 TiAl 基合金進行鍛造時，鍛造負荷比較大，鍛造溫度很窄，微觀組織不均勻，局部容易過熱，鍛件表面容易產(chǎn)生裂紋。如圖 11 等溫鍛造下的壓氣機葉片。 （ 4）金屬液在澆鑄時，由于金屬液與型腔接觸，使得流動速度減慢，凝固速度變快，使得充型能力下降，容易造成澆不足、流痕等缺陷，但真空吸鑄是在重力和上下壓差的作用下，使得充型能力得到提高，保證充型完整。鑄造成型數(shù)值模擬技 術可以預測實際過程中工作人員在鑄造成型時鑄件可能產(chǎn)生的缺陷、產(chǎn)生的時間、缺陷的大小及缺陷的部位，從而進行優(yōu)化鑄造成型工藝，確保鑄件質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，縮短試制周期。 （ 3）由于 TiAl 基合金液體的流動性比較差，在熔模鑄造時需要給液體很高的溫度才能保證充型完整，而在真空吸鑄時，不需要太高的溫度就可以充型完整。由于金屬液活性較大，而型腔真空度比較高，避免了金屬液的氧化。 在澆鑄過程中鑄型溫度也比較關鍵，當鑄型溫度較高時，鑄型保溫效果 好，但澆鑄時金屬液容易沖砂；當鑄型溫度太低時，金屬液凝固速度太快，容易產(chǎn)生縮松、縮孔。航空 發(fā)動機的應用需要仔細評估和改善伽瑪鋁化物許多方面的特性，包括疲勞，韌性和蠕變 [13]。與大多數(shù)合金均勻穩(wěn)定的微觀結構一樣，可以用來為發(fā)動機部件服務。 （ 2）鑄件材料為 %Al8%Nb，鑄型材料為冷鐵 H13。首先控制澆鑄速度、換熱系數(shù)和鑄型溫度不變，單量變換澆鑄溫度，選取較好的澆鑄溫度，然后再控制澆鑄溫度不變，變換其他一個參數(shù)，選取最好個參數(shù)，依次進行控制單一變量進行模擬，注重目的選取一個最好的模擬參數(shù)。利用凝固分數(shù)及凝固時間來考察 TiAl 基合金在真空吸鑄過程中的凝固特性。本課題模擬具體步驟如下： (1) 首先用 pro/e 建立三維模型，鑄型如圖 3鑄件如圖 33。 (4) 模擬完成后進入可視化結果分析。另外網(wǎng)格步長也是比較關鍵的，它決定模擬的精度。材料的熱物性參數(shù)直接決定著溫度場模擬的準確性，只有材料飛熱物性參數(shù)非常精確，模擬出來的溫度場才與實際才更加相近。與大多數(shù)合金均勻穩(wěn)定的微觀結構一樣，可以用來為發(fā)動機部件服務。如果在相同溫度情況下進行澆鑄時 %Al8%Nb 合金的過冷度大，金屬液流動性好，有利于充型。 第 17 頁 共 34 頁 圖 %Al8%Nb 合金的密度與溫度之間的關系 圖 %Al 合金的密度與溫度之間的關系 第 18 頁 共 34 頁 由圖 310 為 %Al8%Nb 合金的導熱系數(shù)與溫度之間的關系與圖 311 為%Al合金的導 熱系數(shù)與溫度之間的關系可以看出，在溫度大于 1400℃時 %Al合金的導熱系數(shù)明顯要比 %Al8%Nb 合金的導熱系數(shù)大，導熱系數(shù)越大，則保溫效果越差。為了探究澆鑄溫度對鑄造成型的全過程的影響，選取的澆鑄速度為 ，換熱系數(shù)為1000w/m2k，鑄型溫度初 步選取 600℃。當澆鑄溫度較高時，很明顯，澆口部位計較寬，薄板在后期凝固時能夠得到澆口部位合金液的補縮。當澆鑄溫度為 1550℃和 1575℃時，薄板只有中部凝固分數(shù)比較小，其余基本完全凝固，并且面積也不是很大，而澆鑄溫度為 1600℃和 1625℃很明顯薄板中部凝固分數(shù)比較小的面積明顯較前兩種大，尤其是澆鑄溫度為 1625℃時，中部還有一大片凝固分數(shù)非常小的區(qū)域，很明顯在后期凝固過程中，交口處合金液得不到補縮，四周凝固收縮，就會造成應力就非常大，由圖也可以明顯的反映出來，在下方有黃色區(qū)域，由對比卡可知，此處應力更大。 b) a) c) d) 第 23 頁 共 34 頁 鑄型溫度對充型的影響 本次選取的工藝參數(shù)為澆鑄溫度為 1550℃，澆鑄速度為 ，換熱系數(shù)為 1000 w/m2k，鑄型溫度分別為 600℃、 400℃、 200℃和 0℃進行對比分析，從中選取一個比較好的鑄型溫度。理想中的冷卻趨勢是從底部逐漸凝固，澆口部位最后凝固，如果這樣的話，合金液在凝固過程中就能得到補縮，縮松、縮孔將減少。當鑄型溫度為 400℃時，從凝固分數(shù)圖中可以很明顯的看到澆口 部位基本快要凝固，而薄板中還有很大面積凝固分數(shù)比較小，后期凝固時得不到合金液的補縮，就會造成薄板件中應力比較大。鑄型溫度為 0℃時，縮松、縮孔比較分散，雖然面積不大，但對薄板件的整體性能會有很大影響。 圖 ，澆鑄速度 a) 、 b) 、 d） 圖 ，澆鑄速度 a) 、 b) 、 d） a) c) b) a) c) b) 第 27 頁 共 34 頁 圖 、縮孔圖，澆鑄速度 a) 、 b) 、 d） 對澆鑄速度對充型的影響進行分析，從圖 321 凝固分數(shù)圖可看出隨著澆鑄速度越來越小，凝固分數(shù)小的區(qū)域越來越小，并且還越趨近與澆口部位，這種趨勢使得凝固分數(shù)較小區(qū)域在后期凝固時等及時得到澆口部位合金液的補縮，縮松、縮孔缺陷得到減小。理論上澆鑄溫度越高，合金液流動性越強，雖然有利于充型，但澆鑄溫度太高，會造成粘砂，縮松、縮孔，熱烈，局部氧化，反應氣孔偏多等危害。 模擬后的薄板組織 由圖 31 31 321 凝固分數(shù)圖可以看出，同一時刻的凝固分數(shù)，薄板下部凝固分數(shù)比較高，上部凝固分數(shù)比較低，從側面可以反映出，金屬液在凝固過程中，薄板下部首先凝固，隨后上部才凝固，也可以反映出，下部凝固速度快，上部凝固速度慢。組織越粗大，相應的晶粒越大。組織越細小，晶粒則越小，單位體積的晶粒數(shù)越多，當材料收到一定作用力時分配到各晶粒的力就越小，組織性能就越 好。 (2) 變質(zhì)處理也稱調(diào)質(zhì)處理：即在金屬液結晶前，向金屬液中加入某些物質(zhì)（稱為變質(zhì)劑），這些物質(zhì)將分散在金屬液中，形成大量的非自發(fā)形核界面，或起阻礙晶體長大的作用，從而使得晶粒組織比較小，這種細化晶粒的方法，稱為變質(zhì)處理。當在距離薄板底部 15mm 到 27mm 這段距離時，片層間距增長率最大， 并且成直線式上升。 第 31 頁 共 34 頁 圖 總結，從圖 32圖 32圖 326 和圖 327 這四幅圖很容易看出，晶粒尺寸隨著組織距離薄板底部的距離增大而普遍增大，片層間距也隨著組織距離薄板底部的距離增大而普遍增大。 第 32 頁 共 34 頁 致謝 畢業(yè)設計已經(jīng)接近了尾聲，這也意味著我的大學生活就要結束了，大學生活一晃而過，回首走過的歲月，心中倍感充實，當我寫完這篇畢業(yè)論文的時候，有一種如釋重負的感覺，感慨良多。每次遇到難題，我最先做的就是向葉喜蔥老師尋求幫助，而葉老師每次不管忙或閑，總會抽空來找我面談，或說定時間讓我去找他，然后教我如何解決。 其次，還要感謝這四年來教我知識的每位老師們，畢業(yè)論文能夠順利完成，你們也都有很大的功勞。畢業(yè)論文的完成，同樣也意味著新、生活的開始。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。 涉密論文按學校規(guī)定處理。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準用徒手畫 3）畢業(yè)論文須用 A4 單面打印，論文 50 頁以上的雙面打印 4）圖表應 繪制于無格子的頁面上 5）軟件工程類課題應有程序清單，并提供電子文檔 1）設計（論文） 2）附件：按照任務書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復印件）次序裝訂 3）其它