【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 澆鑄溫度、澆鑄速度和鑄型溫度。 實(shí)驗(yàn)材料及模擬參數(shù)選取 實(shí)驗(yàn)材料選取 本課題研究的是真空吸鑄對(duì) TiAl 基合金的亞快速凝固行為，所以鑄件主要材料為T(mén)iAl 合金， TiA 合金的優(yōu)點(diǎn)是具有非常好的彈性模量，高溫強(qiáng)度和氧化性能，使得它在未來(lái)的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)制作中成為一個(gè)具有很大吸引力的材料 [10]。鑄造和金由于其生產(chǎn)成本低，已被用來(lái)生產(chǎn)汽車(chē)的 渦輪增壓器 [11]和活塞 [12] 。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用需要仔細(xì)評(píng)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]。為了滿足設(shè)計(jì)要求，合金化是一個(gè)用來(lái)優(yōu)化不同性能的基本手段。 Nb 或許是伽瑪鋁化物最重要的合金元素，眾所周知， Nb 可以用來(lái)提高伽瑪合金的強(qiáng)度和抗氧化性能，更是高達(dá) 12%的 Nb 已被用來(lái)作為合金添加劑 [14]。目前尚不清楚， Nb 含量達(dá)到多少時(shí)可使疲勞趨近于開(kāi)裂。與大多數(shù)合金均勻穩(wěn)定的微觀結(jié)構(gòu)一樣，可以用來(lái)為發(fā)動(dòng)機(jī)部件服務(wù)。但是對(duì)于鑄件，可用于修改 第 13 頁(yè) 共 34 頁(yè) 組織的手段是非常有限的。所以在 TiAl 合金為主要材料的情況下，我還加入少量的 Nb進(jìn)行模擬，于是這次選擇的材料為 %Al8%Nb 進(jìn)行模擬。 模擬參數(shù)選取 本次模擬思路如下： （ 1）鑄件尺寸為 20mm60mm2mm 的薄板件，鑄型為高度為 80mm 直徑為 24mm的圓柱體，冒口為圓錐形。 （ 2）鑄件材料為 %Al8%Nb，鑄型材料為冷鐵 H13。 （ 3）由于 %Al8%Nb 材料的液相線和固相線分別為 1503℃ 和 1444℃ 。凝固分?jǐn)?shù)線如圖 21。所以初步選取模擬溫度為 1600℃ ，澆鑄速度為 (對(duì)應(yīng)是 3 秒澆鑄完 )，換熱系數(shù) h=1000（金屬型砂型換熱系數(shù)一般為 10002021），鑄型溫度為 600℃ 。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(gè)參數(shù)，選取最好個(gè)參數(shù)，依次進(jìn)行控制單一變量進(jìn)行模擬，注重目的選取一個(gè)最好的模擬參數(shù)。 圖 第 14 頁(yè) 共 34 頁(yè) 研究方案 本課題主要利用 procast 來(lái)進(jìn)行 TiAl 基合金真空吸鑄的充型模擬和凝固過(guò)程的模擬來(lái)指導(dǎo)實(shí)踐，由于設(shè)備有限，只進(jìn)行模擬，不進(jìn)行試驗(yàn)。模擬參數(shù)主要選取的有澆鑄溫度、澆鑄速度、鑄型溫度和換熱系數(shù)。對(duì)模擬后的處理，主要通過(guò)模擬全過(guò)程中的動(dòng)畫(huà)來(lái)考察鑄造過(guò)程中的凝固分?jǐn)?shù)、溫度 場(chǎng)及縮松、縮孔的位置和大小。利用凝固分?jǐn)?shù)及凝固時(shí)間來(lái)考察 TiAl 基合金在真空吸鑄過(guò)程中的凝固特性。本課題中的最終凝固溫度為600℃ ，因?yàn)?600℃ 時(shí) TiAl 早以完全凝固，設(shè)置凝固最終溫度為 600℃ 時(shí)可以縮短模擬時(shí)間，而凝固時(shí)間是指合金溶液從澆鑄溫度冷卻到 600℃ 時(shí)所用的時(shí)間，凝固分?jǐn)?shù)是指在凝固過(guò)程中合金溶液中固相的分?jǐn)?shù)。縮松、縮孔的位置及大小是來(lái)分析鑄造過(guò)程中的工藝參數(shù)對(duì)縮松、縮孔的影響。 第 15 頁(yè) 共 34 頁(yè) 第三章真空吸鑄 TiAl 基合金熔體充型規(guī)律 圖 31procast 模擬流程 圖 數(shù)值模擬流程 Procast 軟件模擬的流程如圖 31， 首先建立三維模型，然后進(jìn)行面網(wǎng)格劃分、體網(wǎng)格劃分，再進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，最后進(jìn)行可視化處理，進(jìn)行結(jié)果分析。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。然后將建立的鑄型跟鑄件裝配起來(lái)，裝配圖如圖 34。另存為 igs 格式 (2) 將裝配圖的 igs 格式導(dǎo)入 meshcast 中進(jìn)行面網(wǎng)格和體網(wǎng)格的劃分。 (3) 進(jìn)行初始條件設(shè)置，先對(duì)鑄型和鑄件進(jìn)行材料設(shè)置，然后進(jìn)行邊界條件設(shè)置（包括澆鑄速度、澆鑄溫度、換熱 系數(shù)及鑄型溫度），設(shè)置好后進(jìn)入 ProCAST 進(jìn)行模擬。 (4) 模擬完成后進(jìn)入可視化結(jié)果分析。 第 16 頁(yè) 共 34 頁(yè) 圖 圖 33 鑄件圖 圖 34. a)為裝配后的框架圖， b)為裝配后的實(shí)物圖 造型 本課題中的三維造型是用 pro/e 進(jìn)行三維造型的，鑄件的是 20mm60mm2mm 的薄板件，鑄型為高度為 80mm 直徑為 24mm 的圓柱體，其中內(nèi)部去除了跟鑄件一模一樣尺寸的長(zhǎng)方體，正好跟鑄件組裝，冒口為圓錐形。 a) b) 第 17 頁(yè) 共 34 頁(yè) 網(wǎng)格劃分 網(wǎng) 格劃分是決定 procast 能否正常模擬的比較關(guān)鍵的一步，也是比較困難的一步，如果網(wǎng)格劃分不好后面將無(wú)法進(jìn)行。面網(wǎng)格劃分時(shí)特別注意是否重合面，對(duì)有重合面的一定要注意進(jìn)行處理，否則后面進(jìn)行體網(wǎng)格劃分時(shí)就會(huì)出現(xiàn)比較多的交叉網(wǎng)格。另外網(wǎng)格步長(zhǎng)也是比較關(guān)鍵的，它決定模擬的精度。網(wǎng)格越細(xì)小，網(wǎng)格數(shù)越多，模擬精度越高，但模擬時(shí)間就越長(zhǎng)；網(wǎng)格步長(zhǎng)越大，網(wǎng)格數(shù)越少，模擬精度越小，模擬時(shí)間越短。所以在滿足模擬精度的情況下，盡可能的使用粗大網(wǎng)格，將網(wǎng)格步長(zhǎng)設(shè)大一點(diǎn)，這樣就可以縮短模擬時(shí)間。 物性參數(shù)計(jì)算 ProCAST 數(shù) 值模擬的直接依據(jù)是材料的物性參數(shù)，材料的物性參數(shù)直接決定著模擬結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。材料的熱物性參數(shù)直接決定著溫度場(chǎng)模擬的準(zhǔn)確性，只有材料飛熱物性參數(shù)非常精確，模擬出來(lái)的溫度場(chǎng)才與實(shí)際才更加相近。 圖 21 為合金固相分?jǐn)?shù)線與溫度的關(guān)系，從圖中可以清楚的看出，當(dāng)溫度為 1444℃時(shí)，凝固分?jǐn)?shù)為 1，也可以看出 %Al8%Nb 材料的固相線為 1444℃。當(dāng)溫度為 1503℃時(shí)，從圖中可以看出凝固分?jǐn)?shù)為 0，也可以看出 %Al8%Nb 的液相線溫度為 1503℃。 圖 %Al 合金固相分 數(shù)與溫度之間的關(guān)系 Nb 或許是伽瑪鋁化物最重要的合金元素，眾所周知， Nb 可以用來(lái)提高伽瑪合金的 第 18 頁(yè) 共 34 頁(yè) 強(qiáng)度和抗氧化性能，目前尚不清楚， Nb 含量達(dá)到多少時(shí)可使疲勞趨近于開(kāi)裂。與大多數(shù)合金均勻穩(wěn)定的微觀結(jié)構(gòu)一樣，可以用來(lái)為發(fā)動(dòng)機(jī)部件服務(wù)。但是對(duì)于鑄件，可用于修改組織的手段是非常有限的。所以在 TiAl 合金為主要材料的情況下，我還加入少量的Nb 進(jìn)行模擬。下面來(lái)比較一下 %Al8%Nb 與不加 Nb 的 %Al 合金的性能進(jìn)行比較 由圖 21為 %Al8%Nb合金的凝固分?jǐn)?shù)與溫度之間的關(guān)系與圖 35為 %Al合金的凝固分?jǐn)?shù)與溫度之間的關(guān)系可以看出， %Al8%Nb 合金的液相線溫度比%Al 合金的液相線溫度低，在澆鑄 %Al8%Nb 合金時(shí)所需的最低澆鑄溫度比%Al 合金的所需的最低澆鑄溫度要低，從能源的角度來(lái)看，節(jié)省能源。如果在相同溫度情況下進(jìn)行澆鑄時(shí) %Al8%Nb 合金的過(guò)冷度大，金屬液流動(dòng)性好，有利于充型。 圖 %Al8%Nb 合金的焓值與溫度之間的關(guān)系 由圖 36 %Al8%Nb 合金的焓值與溫度之間的關(guān)系與 圖 37 為 %Al 合金 第 19 頁(yè) 共 34 頁(yè) 的焓值與溫度之間的關(guān)系進(jìn)行比較可以看出，在相同溫度下， %Al 合金的焓值明顯要比 %Al8%Nb 合金的焓值高，并且 %Al 合金的焓值隨溫度的增長(zhǎng)率也比%Al8%Nb 合金大，而焓值在熱力學(xué)中表示物質(zhì)系統(tǒng)能量的狀態(tài)參數(shù)，焓值越高，物質(zhì)系統(tǒng)能量越大，越不穩(wěn)定。從此處可以看出 %Al8%Nb 合金比不加 Nb 的%Al 合金要穩(wěn)定。 圖 %Al 合金的焓值與溫度之間的關(guān)系 由圖 38 為 %Al8%Nb 合金的密度與溫度之間的關(guān)系與圖 39 為 %Al 合金的密度與溫度之間的關(guān)系可以看出， %Al8%Nb 合金的密度比 %Al 合金的密度大，造成這中情況產(chǎn)生的原因是加了 Nb 而產(chǎn)生的。 第 20 頁(yè) 共 34 頁(yè) 圖 %Al8%Nb 合金的密度與溫度之間的關(guān)系 圖 %Al 合金的密度與溫度之間的關(guān)系 第 21 頁(yè) 共 34 頁(yè) 由圖 310 為 %Al8%Nb 合金的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度之間的關(guān)系與圖 311 為%Al 合金的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度之間的關(guān)系可以看出，在溫度大于 1400℃時(shí) %Al合金的導(dǎo)熱系數(shù)明顯要比 %Al8%Nb 合金的導(dǎo)熱系數(shù)大，導(dǎo)熱系數(shù)越大，則保溫效果越差。 圖 %Al8%Nb 合金的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度之間的關(guān)系 由圖 312 為 %Al8%Nb 合金的粘度與溫度之間的關(guān)系與圖 313 為 %Al合金的粘度與密度之間的關(guān)系可以看出， %Al8%Nb 合金的粘度比 %Al 合金的粘度大，然而合金液粘度越大，則充型越困難。 第 22 頁(yè) 共 34 頁(yè) 圖 %Al 合金的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度之間的關(guān)系 圖 %Al8%Nb 合金的粘度與溫度之間的關(guān)系 第 23 頁(yè) 共 34 頁(yè) 圖 313 .%Al 合金的粘度與密度之間的關(guān)系 總體來(lái)說(shuō)，加 Nb 的 TiAl 基合金整體性能比不加 Nb 的 TiAl 基合金性能要好。 工藝參數(shù)對(duì)充型影響的數(shù)值模擬 3． 澆鑄溫度對(duì)充型的影響 澆鑄溫度對(duì)鑄造成型的影響非常大，澆鑄溫度越高，合金流動(dòng)性越好，便于充型。為了探究澆鑄溫度對(duì)鑄造成型的全過(guò)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℃。澆鑄溫度選取 1550℃、 1575℃、 1600℃、 1625℃進(jìn)行數(shù)值模擬。以下對(duì)模擬后的可視化結(jié)果進(jìn)行分析。 首先對(duì)凝固分?jǐn)?shù)進(jìn)行分析，模擬后的凝固分?jǐn)?shù)如圖 314 由上面圖 314 中澆注溫度分別為 1550℃、 1575℃、 1600℃、 1625℃凝固分?jǐn)?shù)圖可知，澆鑄溫度越低時(shí)，澆口部位后期由于凝固原因，澆口通道越來(lái)越窄，則不利于澆口部位合金液向薄板補(bǔ)縮，薄板在后期凝固過(guò)程中容易產(chǎn)生縮松、縮孔。當(dāng)澆鑄溫度較高時(shí)，很明顯，澆口部位計(jì)較寬，薄板在后期凝固時(shí)能夠得到澆口部位合金液的補(bǔ)縮。但 由于澆鑄溫度高，凝固速度緩慢，從圖 314 中澆鑄溫度為 1625℃時(shí)，很明顯可以看 出，薄板中下部凝固分?jǐn)?shù)比較小，液相所占比例較大，但澆口部位凝固分?jǐn)?shù)比較高，在后期 第 24 頁(yè) 共 34 頁(yè) 圖 ，澆鑄溫度為 a) 1550℃、 b) 1575℃、 c) 1600℃、 d) 1625℃ 凝固過(guò)程中，澆口部位肯定比下面部位首先凝固，依然會(huì)造成澆口先凝固，薄板后期凝固中得不到金屬液的補(bǔ)縮，也容易造成縮松、縮孔。從此可以看出，并不是澆鑄溫度越高越好，應(yīng)選擇更好澆鑄溫度。 圖 ， 澆鑄溫度為 a) 1550℃、 b) 1575℃、 c) 1600℃、 d) 1625℃ a) b) d) c) a) d) c) b) 第 25 頁(yè) 共 34 頁(yè) 由上面圖 315 中 1550℃、 1575℃、 1600℃、 1625℃應(yīng)力圖可知，澆鑄溫度為 1550℃時(shí)，主要應(yīng)力集中在薄板正中部， 1575℃應(yīng)力集中在薄板中上部， 1600℃應(yīng)力主要集中在薄板中下部， 1625℃應(yīng)力基本分布在薄板的全部位置，從此處應(yīng)力圖可以跟凝固分?jǐn)?shù)圖聯(lián)合起來(lái)看，彼此是相互聯(lián)系的。當(dāng)澆鑄溫度為 1550℃和 1575℃時(shí)，薄板只有中部凝固分?jǐn)?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?jǐn)?shù)比較小的面積明顯較前兩種大 ，尤其是澆鑄溫度為 1625℃時(shí)，中部還有一大片凝固分?jǐn)?shù)非常小的區(qū)域，很明顯在后期凝固過(guò)程中，交口處合金液得不到補(bǔ)縮，四周凝固收縮，就會(huì)造成應(yīng)力就非常大，由圖也可以明顯的反映出來(lái)，在下方有黃色區(qū)域，由對(duì)比卡可知，此處應(yīng)力更大。 圖 ， 澆鑄溫度為 a) 1550℃、 b) 1575℃、 c) 1600℃、 d) 1625℃ 由上面圖 316 中 1550℃、 1575℃、 1600℃、 1625℃縮松、縮孔圖可知：當(dāng)澆注溫度為 1550℃時(shí)縮松、縮孔面積最小，縮松、縮孔位置處于板件 的中部；當(dāng)澆注溫度為1575℃時(shí)，縮松、縮孔在薄板中部比較多，薄板底部存在少數(shù)；澆鑄溫度為 1600℃時(shí)，縮松、縮孔位置主要集中在中下部；當(dāng)澆鑄溫度為 1625℃時(shí)，縮松、縮孔面積最大，主要集中在中下部，并且中部還有少量縮松、縮孔。從縮松、縮孔出現(xiàn)的位置可以與上面的凝固分?jǐn)?shù)圖聯(lián)系起來(lái)，縮松、縮孔主要出現(xiàn)在凝固分?jǐn)?shù)比較低的部位，由于后期凝固而又得不到合金液的補(bǔ)縮，就造成了縮松、縮孔。 最后由圖 31圖 315 和圖 316 綜合分析，澆鑄溫度為 1550℃時(shí)，比較好。 b) a) c) d) 第 26 頁(yè) 共 34 頁(yè) 鑄型溫度對(duì)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(jìn)行對(duì)比分析，從中選取一個(gè)比較好的鑄型