鈦合金葉輪離心鑄造數(shù)值模擬研究.pdf

1、本文以鈦合金葉輪為研究對象，研究離心鑄造過程中復(fù)雜薄壁鑄件的充型規(guī)律和凝固特點。采用理論分析、數(shù)值模擬和實驗驗證相結(jié)合的研究手段，研究不同工藝方案和參數(shù)條件下，金屬熔體充型狀態(tài)、位置、凝固順序和鑄件缺陷形成規(guī)律。
　　首先，采用數(shù)值模擬方法研究離心鑄造薄壁復(fù)雜鑄件的充型和凝固過程。研究發(fā)現(xiàn)：在離心場作用下，合金熔體首先沿著與鑄型旋轉(zhuǎn)方向相對的澆道壁充型；當(dāng)熔體到達(dá)鑄型時，優(yōu)先充型離心半徑大的鑄型區(qū)域。通過分析合金熔體在離心條件下溫

2、度場、流場和壓力場的分布規(guī)律以及固相率和凝固時間形成特點發(fā)現(xiàn)：合金熔體充型和凝固過程中，由于離心場的導(dǎo)向作用，鑄件局部位置出現(xiàn)傳熱傳質(zhì)的活躍區(qū)域，表現(xiàn)為溫度波動大、液流紊亂度高和凝固時間的延遲性等特征，導(dǎo)致鑄件局部區(qū)域凝固順序發(fā)生變化，這為分析鑄件缺陷形成的原因提供了依據(jù)。
　　同時，采用數(shù)值模擬方法研究了不同鑄造工藝參數(shù)對鈦合金熔體的充填方式和凝固順序的影響。其工藝參數(shù)主要包括：離心速度、模殼預(yù)熱溫度、合金熔體的過熱度、合金熔體

3、的澆注量。模擬結(jié)果顯示：在離心半徑和澆注系統(tǒng)一定的條件下，隨著轉(zhuǎn)速的增加，合金熔體在鑄型中的充型位置和形態(tài)發(fā)生變化。模殼預(yù)熱溫度和合金熔體澆注溫度的提高都有利于延緩葉片凝固時間，但前者作用效果更加明顯，并且 TC4合金葉輪離心澆注溫度不宜過高，過高的溫度并沒有有效的改善葉片凝固狀態(tài)，反而增加形成縮松縮孔的傾向。過剩的合金熔體會引起充型后期合金溫度場的起伏。離心場下，合金熔體在直澆道內(nèi)充型狀態(tài)對合金的溫度變化影響明顯。充型后期，隨著柯氏力

4、的減少，會引起充型方向上充型力場的變化，進(jìn)而引起熔體溫度的起伏，甚至?xí)霈F(xiàn)凝固區(qū)域重熔現(xiàn)象，對缺陷的形成產(chǎn)生重大影響。采用直澆道橫截面積大于橫澆道的橫截面積，內(nèi)澆道橫截面積大于橫澆道的橫截面積的半封閉-開放式澆注系統(tǒng)設(shè)計，與鑄件接觸的內(nèi)澆道設(shè)計成小長徑比的圓柱狀，增加過渡圓角，增設(shè)澆注末端，可為熔體平鋪式穩(wěn)定充型提供保障。
　　為了驗證理論分析的正確性以及數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了鈦合金葉輪的離心鑄造實驗。通過模擬件和實際鑄件的