【文章內(nèi)容簡介】 ，而真空吸鑄可以增加充型動力，于是該工藝可以澆鑄小型薄壁件TiAl合金件。因為型腔處于真空條件下，里面無空氣，所以金屬液在澆鑄時受到的熱氣體反作用力降低，大大減少了充型阻力，大大減小了薄壁件因充型冷卻速度太快而造成充型能力減小進而導致澆不足等缺陷。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。還有在真空條件下，有利于充型過程中的氣體排出，在上下壓差下，減小了在凝固過程中縮松、縮孔缺陷的產(chǎn)生。在充型過程中，為了避免鑄件產(chǎn)生縮松、縮孔、夾雜、澆不足等缺陷，我們必須對澆鑄工藝進行優(yōu)化。當金屬液溫度過低時，薄壁件凝固速度過快，容易產(chǎn)生澆不足等缺陷；當金屬液過高時，在澆鑄過程中金屬液不斷的沖刷型腔，容易沖壞型腔，產(chǎn)生夾雜；當以過小的澆鑄速度進行澆鑄時，雖然金屬液能保持平穩(wěn)狀態(tài)進入型腔，但由于金屬液冷卻速度快，也容易產(chǎn)生澆不足；當澆鑄速度過快時，澆鑄時金屬液射流寬度較小，容易沖破型腔液面，擾動液面，容易產(chǎn)生氣泡和夾雜等缺陷，另外射流寬度小、速度大容易產(chǎn)生紊流，在型腔底部形成渦流。在澆鑄過程中鑄型溫度也比較關(guān)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。綜上所述，所以澆鑄過程中要選擇一定的澆鑄溫度、澆鑄速度和鑄型溫度。本課題研究的是真空吸鑄對TiAl基合金的亞快速凝固行為，所以鑄件主要材料為TiAl合金，TiA合金的優(yōu)點是具有非常好的彈性模量，高溫強度和氧化性能，使得它在未來的渦輪發(fā)動機制作中成為一個具有很大吸引力的材料[10]。鑄造和金由于其生產(chǎn)成本低，已被用來生產(chǎn)汽車的渦輪增壓器[11]和活塞[12] 。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]。為了滿足設計要求，合金化是一個用來優(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可以用來提高伽瑪合金的強度和抗氧化性能，更是高達12%的Nb已被用來作為合金添加劑[14]。目前尚不清楚，Nb含量達到多少時可使疲勞趨近于開裂。與大多數(shù)合金均勻穩(wěn)定的微觀結(jié)構(gòu)一樣，可以用來為發(fā)動機部件服務。但是對于鑄件，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進行模擬，%Al8%Nb進行模擬。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）%Al8%Nb，鑄型材料為冷鐵H13。（3）%Al8%Nb材料的液相線和固相線分別為1503℃和1444℃。凝固分數(shù)線如圖21。所以初步選取模擬溫度為1600℃，(對應是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10002000），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)。本課題主要利用procast來進行TiAl基合金真空吸鑄的充型模擬和凝固過程的模擬來指導實踐，由于設備有限，只進行模擬，不進行試驗。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)。對模擬后的處理，主要通過模擬全過程中的動畫來考察鑄造過程中的凝固分數(shù)、溫度場及縮松、縮孔的位置和大小。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。本課題中的最終凝固溫度為600℃，因為600℃時TiAl早以完全凝固，設置凝固最終溫度為600℃時可以縮短模擬時間，而凝固時間是指合金溶液從澆鑄溫度冷卻到600℃時所用的時間，凝固分數(shù)是指在凝固過程中合金溶液中固相的分數(shù)。縮松、縮孔的位置及大小是來分析鑄造過程中的工藝參數(shù)對縮松、縮孔的影響。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Procast軟件模擬的流程如圖31， 首先建立三維模型，然后進行面網(wǎng)格劃分、體網(wǎng)格劃分，再進行參數(shù)設置，最后進行可視化處理，進行結(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，裝配圖如圖34。另存為igs格式(2) 將裝配圖的igs格式導入meshcast中進行面網(wǎng)格和體網(wǎng)格的劃分。(3) 進行初始條件設置，先對鑄型和鑄件進行材料設置，然后進行邊界條件設置（包括澆鑄速度、澆鑄溫度、換熱系數(shù)及鑄型溫度），設置好后進入ProCAST進行模擬。(4) 模擬完成后進入可視化結(jié)果分析。a)b) 圖33鑄件圖圖34. a)為裝配后的框架圖，b)為裝配后的實物圖本課題中的三維造型是用pro/e進行三維造型的，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方體，正好跟鑄件組裝，冒口為圓錐形。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法進行。面網(wǎng)格劃分時特別注意是否重合面，對有重合面的一定要注意進行處理，否則后面進行體網(wǎng)格劃分時就會出現(xiàn)比較多的交叉網(wǎng)格。另外網(wǎng)格步長也是比較關(guān)鍵的，它決定模擬的精度。網(wǎng)格越細小，網(wǎng)格數(shù)越多，模擬精度越高，但模擬時間就越長；網(wǎng)格步長越大，網(wǎng)格數(shù)越少，模擬精度越小，模擬時間越短。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)格步長設大一點，這樣就可以縮短模擬時間。 物性參數(shù)計算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)果的可靠性和準確性。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。圖21為合金固相分數(shù)線與溫度的關(guān)系，從圖中可以清楚的看出，當溫度為1444℃時，凝固分數(shù)為1，%Al8%Nb材料的固相線為1444℃。當溫度為1503℃時，從圖中可以看出凝固分數(shù)為0，%Al8%Nb的液相線溫度為1503℃。%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可以用來提高伽瑪合金的強度和抗氧化性能，目前尚不清楚，Nb含量達到多少時可使疲勞趨近于開裂。與大多數(shù)合金均勻穩(wěn)定的微觀結(jié)構(gòu)一樣，可以用來為發(fā)動機部件服務。但是對于鑄件，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進行模擬。%Al8%%Al合金的性能進行比較%Al8%%Al合金的凝固分數(shù)與溫度之間的關(guān)系可以看出，%Al8%%Al合金的液相線溫度低，%Al8%%Al合金的所需的最低澆鑄溫度要低，從能源的角度來看，節(jié)省能源。%Al8%Nb合金的過冷度大，金屬液流動性好，有利于充型。%Al8%Nb合金的焓值與溫度之間的關(guān)系由圖36 %Al8%%Al合金的焓值與溫度之間的關(guān)系進行比較可以看出，在相同溫度下，%%Al8%Nb合金的焓值高，%%Al8%Nb合金大，而焓值在熱力學中表示物質(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。%Al8%%Al合金要穩(wěn)定。%Al合金的焓值與溫度之間的關(guān)系%Al8%%Al合金的密度與溫度之間的關(guān)系可以看出，%Al8%%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。%Al8%Nb合金的密度與溫度之間的關(guān)系%Al合金的密度與溫度之間的關(guān)系%Al8%%Al合金的導熱系數(shù)與溫度之間的關(guān)系可以看出，在溫度大于1400℃%%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。%Al8%Nb合金的導熱系數(shù)與溫度之間的關(guān)系%Al8%%Al合金的粘度與密度之間的關(guān)系可以看出，%Al8%%Al合金的粘度大，然而合金液粘度越大，則充型越困難。%Al合金的導熱系數(shù)與溫度之間的關(guān)系%Al8%Nb合金的粘度與溫度之間的關(guān)系圖313 .%Al合金的粘度與密度之間的關(guān)系 總體來說，加Nb的TiAl基合金整體性能比不加Nb的TiAl基合金性能要好。3．澆鑄溫度對鑄造成型的影響非常大，澆鑄溫度越高，合金流動性越好，便于充型。為了探究澆鑄溫度對鑄造成型的全過程的影響，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℃進行數(shù)值模擬。以下對模擬后的可視化結(jié)果進行分析。首先對凝固分數(shù)進行分析，模擬后的凝固分數(shù)如圖314由上面圖314中澆注溫度分別為1550℃、1575℃、1600℃、1625℃凝固分數(shù)圖可知，澆鑄溫度越低時，澆口部位后期由于凝固原因，澆口通道越來越窄，則不利于澆口部位合金液向薄板補縮，薄板在后期凝固過程中容易產(chǎn)生縮松、縮孔。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。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，很明顯可以看出，薄板中下部凝固分數(shù)比較小，液相所占比例較大，但澆口部位凝固分數(shù)比較高，在后期d)c)b)a) ，澆鑄溫度為a) 1550℃、b) 1575℃、c) 1600℃、d) 1625℃凝固過程中，澆口部位肯定比下面部位首先凝固，依然會造成澆口先凝固，薄板后期凝固中得不到金屬液的補縮，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，應選擇更好澆鑄溫度。a)b)c)d) ，澆鑄溫度為a) 1550℃、b) 1575℃、c) 1600℃、d) 1625℃由上面圖315中1550℃、1575℃、1600℃、1625℃應力圖可知，澆鑄溫度為1550℃時，主要應力集中在薄板正中部，1575℃應力集中在薄板中上部，1600℃應力主要集中在薄板中下部，1625℃應力基本分布在薄板