真空吸铸tial基合金亚快速凝固行为的研究毕业设计论文(编辑修改稿)

真空吸铸tial基合金亚快速凝固行为的研究毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

理论起着越来越重要的作用。 铸造成型数值模拟技 术可以预测实际过程中工作人员在铸造成型时铸件可能产生的缺陷、产生的时间、缺陷的大小及缺陷的部位，从而进行优化铸造成型工艺，确保铸件质量，降低生产成本，缩短试制周期。 主要有应力场数值模拟、充型数值模拟、缩松缩孔数值模拟。 主要研究内容 真空吸铸是铸造 TiAl基合金的一种新工艺技术，其主要优点有以下几个方面： （ 1）由于 TiAl 基合金的活性比较大，在空气中容易氧化，而真空吸铸在真空下进行铸造，避免了金属液在凝固过程中的氧化。 （ 2）在真空条件下铸造，型腔与外界存在压力差，而在压力差的条件下铸造成型，可以 减少缩松、缩孔缺陷的形成。 （ 3）由于 TiAl 基合金液体的流动性比较差，在熔模铸造时需要给液体很高的温度才能保证充型完整，而在真空吸铸时，不需要太高的温度就可以充型完整。 本课题主要是利用 procast软件对小薄壁型 TiAl基合金铸件进行铸造成型数值模拟，观察模拟整个过程中的充型过程和温度变化，以及调整工艺参数从而减少模拟过程中缩松、缩孔等缺陷的产生，从而优化工艺。 第 9 页 共 34 页 第二章 研究方法及参数设置 真空吸铸过程分析 真空吸铸充型过程是在金属液自身重力和铸型上下压差作用下进行充型的，使 得充型动力增加，而 TiAl合金金属液活性大，流动性差，冷却速度快，而真空吸铸可以增加充型动力，于是该工艺可以浇铸小型薄壁件 TiAl合金件。 因为型腔处于真空条件下，里面无空气，所以金属液在浇铸时受到的热气体反作用力降低，大大减少了充型阻力，大大减小了薄壁件因充型冷却速度太快而造成充型能力减小进而导致浇不足等缺陷。 由于金属液活性较大，而型腔真空度比较高，避免了金属液的氧化。 还有在真空条件下，有利于充型过程中的气体排出，在上下压差下，减小了在凝固过程中缩松、缩孔缺陷的产生。 在充型过程中，为了避免铸件产生缩松、缩 孔、夹杂、浇不足等缺陷，我们必须对浇铸工艺进行优化。 当金属液温度过低时，薄壁件凝固速度过快，容易产生浇不足等缺陷；当金属液过高时，在浇铸过程中金属液不断的冲刷型腔，容易冲坏型腔，产生夹杂；当以过小的浇铸速度进行浇铸时，虽然金属液能保持平稳状态进入型腔，但由于金属液冷却速度快，也容易产生浇不足；当浇铸速度过快时，浇铸时金属液射流宽度较小，容易冲破型腔液面，扰动液面，容易产生气泡和夹杂等缺陷，另外射流宽度小、速度大容易产生紊流，在型腔底部形成涡流。 在浇铸过程中铸型温度也比较关键，当铸型温度较高时，铸型保温效果 好，但浇铸时金属液容易冲砂；当铸型温度太低时，金属液凝固速度太快，容易产生缩松、缩孔。 综上所述，所以浇铸过程中要选择一定的浇铸温度、浇铸速度和铸型温度。 实验材料及模拟参数选取 实验材料选取 本课题研究的是真空吸铸对 TiAl 基合金的亚快速凝固行为，所以铸件主要材料为TiAl 合金， TiA 合金的优点是具有非常好的弹性模量，高温强度和氧化性能，使得它在未来的涡轮发动机制作中成为一个具有很大吸引力的材料 [10]。 铸造和金由于其生产成本低，已被用来生产汽车的 涡轮增压器 [11]和活塞 [12]。 航空 发动机的应用需要仔细评估和改善伽玛铝化物许多方面的特性，包括疲劳，韧性和蠕变 [13]。 为了满足设计要求，合金化是一个用来优化不同性能的基本手段。 Nb 或许是伽玛铝化物最重要的合金元素，众所周知， Nb 可以用来提高伽玛合金的强度和抗氧化性能，更是高达 12%的 Nb 已被用来作为合金添加剂 [14]。 目前尚不清楚， Nb 含量达到多少时可使疲劳趋近于开裂。 与大多数合金均匀稳定的微观结构一样，可以用来为发动机部件服务。 但是对于铸件，可用于修改 第 10 页 共 34 页 组织的手段是非常有限的。 所以在 TiAl 合金为主要材料的情况下，我还加入少量的 Nb进行模 拟，于是这次选择的材料为 %Al8%Nb 进行模拟。 模拟参数选取 本次模拟思路如下： （ 1）铸件尺寸为 20mm60mm2mm 的薄板件，铸型为高度为 80mm 直径为 24mm的圆柱体，冒口为圆锥形。 （ 2）铸件材料为 %Al8%Nb，铸型材料为冷铁 H13。 （ 3）由于 %Al8%Nb 材料的液相线和固相线分别为 1503℃ 和 1444℃。 凝固分数线如图 21。 所以初步选取模拟温度为 1600℃ ，浇铸速度为 (对应是 3 秒浇铸完 )，换热系数 h=1000（金属型砂型换热 系数一般为 100020xx），铸型温度为 600℃。 首先控制浇铸速度、换热系数和铸型温度不变，单量变换浇铸温度，选取较好的浇铸温度，然后再控制浇铸温度不变，变换其他一个参数，选取最好个参数，依次进行控制单一变量进行模拟，注重目的选取一个最好的模拟参数。 图 第 11 页 共 34 页 研究方案 本课题主要利用 procast 来进行 TiAl 基合金真空吸铸的充型模拟和凝固过程的模拟来指导实践，由于设备有限，只进行模拟，不进行试验。 模拟参数主要选取的有浇铸温度、浇铸速度、铸型温度和换热系数。 对模拟后 的处理，主要通过模拟全过程中的动画来考察铸造过程中的凝固分数、温度场及缩松、缩孔的位置和大小。 利用凝固分数及凝固时间来考察 TiAl 基合金在真空吸铸过程中的凝固特性。 本课题中的最终凝固温度为600℃ ，因为 600℃ 时 TiAl早以完全凝固，设置凝固最终温度为 600℃ 时可以缩短模拟时间，而凝固时间是指合金溶液从浇铸温度冷却到 600℃ 时所用的时间，凝固分数是指在凝固过程中合金溶液中固相的分数。 缩松、缩孔的位置及大小是来分析铸造过程中的工艺参数对缩松、缩孔的影响。 第 12 页 共 34 页 第三章真空 吸铸 TiAl 基合金熔体充型规律 图 31procast 模拟流程图 数值模拟流程 Procast 软件模拟的流程如图 31， 首先建立三维模型，然后进行面网格划分、体网格划分，再进行参数设置，最后进行可视化处理，进行结果分析。 本课题模拟具体步骤如下： (1) 首先用 pro/e 建立三维模型，铸型如图 3铸件如图 33。 然后将建立的铸型跟铸件装配起来，装配图如图 34。 另存为 igs 格式 (2) 将装配图的 igs 格式导入 meshcast 中进行面网格和体网格的划分。 (3) 进行初始条件设置，先对铸型和铸 件进行材料设置，然后进行边界条件设置（包括浇铸速度、浇铸温度、换热系数及铸型温度），设置好后进入 ProCAST 进行模拟。 (4) 模拟完成后进入可视化结果分析。 第 13 页 共 34 页 图 图 33 铸件图 图 34. a)为装配后的框架图， b)为装配后的实物图 造型 本课题中的三维造型是用 pro/e 进行三维造型的，铸件的是 20mm60mm2mm 的薄板件，铸型为高度为 80mm直径为 24mm 的圆柱体，其中内部去除了跟铸件一模一样尺寸的 长方体，正好跟铸件组装，冒口为圆锥形。 a) b) 第 14 页 共 34 页 网格划分 网格划分是决定 procast 能否正常模拟的比较关键的一步，也是比较困难的一步，如果网格划分不好后面将无法进行。 面网格划分时特别注意是否重合面，对有重合面的一定要注意进行处理，否则后面进行体网格划分时就会出现比较多的交叉网格。 另外网格步长也是比较关键的，它决定模拟的精度。 网格越细小，网格数越多，模拟精度越高，但模拟时间就越长；网格步长越大，网格数越少，模拟精度越小，模拟时间越短。 所以在满足模拟精度的情况下，尽可能的使用粗大网格，将网格步长设大一点 ，这样就可以缩短模拟时间。 物性参数计算 ProCAST 数值模拟的直接依据是材料的物性参数，材料的物性参数直接决定着模拟结果的可靠性和准确性。 材料的热物性参数直接决定着温度场模拟的准确性，只有材料飞热物性参数非常精确，模拟出来的温度场才与实际才更加相近。 图 21 为合金固相分数线与温度的关系，从图中可以清楚的看出，当温度为 1444℃时，凝固分数为 1，也可以看出 %Al8%Nb 材料的固相线为 1444℃。 当温度为 1503℃时，从图中可以看出凝固分数为 0，也可以看出 %Al8%Nb 的液 相线温度为 1503℃。 图 %Al 合金固相分数与温度之间的关系 Nb 或许是伽玛铝化物最重要的合金元素，众所周知， Nb 可以用来提高伽玛合金的 第 15 页 共 34 页 强度和抗氧化性能，目前尚不清楚， Nb 含量达到多少时可使疲劳趋近于开裂。 与大多数合金均匀稳定的微观结构一样，可以用来为发动机部件服务。 但是对于铸件，可用于修改组织的手段是非常有限的。 所以在 TiAl 合金为主要材料的情况下，我还加入少量的Nb 进行模拟。 下面来比较一下 %Al8%Nb 与不加 Nb 的 %Al 合金的性能进行比较 由图 21为 %Al8%Nb合金的凝固分数与温度之间的关系与图 35为 %Al合金的凝固分数与温度之间的关系可以看出， %Al8%Nb 合金的液相线温度比%Al合金的液相线温度低，在浇铸 %Al8%Nb 合金时所需的最低浇铸温度比%Al 合金的所需的最低浇铸温度要低，从能源的角度来看，节省能源。 如果在相同温度情况下进行浇铸时 %Al8%Nb 合金的过冷度大，金属液流动性好，有利于充型。 图 %Al8%Nb 合金的焓值与温度之间的关系 由图 36 %Al8%Nb 合金的焓值与温度之间的关系与图 37 为 %Al 合金 第 16 页 共 34 页 的焓值与温度之间的关系进行比较可以看出，在相同温度下， %Al 合金的焓值明显要比 %Al8%Nb 合金的焓值高，并且 %Al 合金的焓值随温度的增长率也比%Al8%Nb 合金大，而焓值在热力学中表示物质系统能量的状态参数，焓值越高，物质系统能量越大，越不稳定。 从此处可以看出 %Al8%Nb 合金比不加 Nb 的%Al合金要稳定。 图 %Al 合金的焓值与温度之间的关系 由图 38 为 %Al8%Nb 合金的密度与温度之间的关系与图 39 为 %Al 合金的密度与温度之间的关系可以看出， %Al8%Nb 合金的密度比 %Al 合金的密度大，造成这中情况产生的原因是加了 Nb 而产生的。 第 17 页 共 34 页 图 %Al8%Nb 合金的密度与温度之间的关系 图 %Al 合金的密度与温度之间的关系 第 18 页 共 34 页 由图 310 为 %Al8%Nb 合金的导热系数与温度之间的关系与图 311 为%Al合金的导 热系数与温度之间的关系可以看出，在温度大于 1400℃时 %Al合金的导热系数明显要比 %Al8%Nb 合金的导热系数大，导热系数越大，则保温效果越差。 图 %Al8%Nb 合金的导热系数与温度之间的关系 由图 312 为 %Al8%Nb 合金的粘度与温度之间的关系与图 313 为 %Al合金的粘度与密度之间的关系可以看出， %Al8%Nb 合金的粘度比 %Al 合金的粘度大，然而合金液粘度越大，则充型越困难。 第 19 页 共 34 页 图 %Al 合金的导热系数与温度之间的关系 图 %Al8%Nb 合金的粘度与温度之间的关系 第 20 页 共 34 页 图 313 .%Al 合金的粘度与密度之间的关系 总体来说，加 Nb 的 TiAl基合金整体性能比不加 Nb 的 TiAl 基合金性能要好。 工艺参数对充型影响的数值模。