TiB2-Al葉輪鑄件熔模鑄造與數(shù)值模擬研究.pdf

1、顆粒增強(qiáng)型復(fù)合材料因其具有良好的耐高溫、抗腐蝕、熱膨脹系數(shù)低和較高的比強(qiáng)度、比模量等特點，近年來受到材料研究者們的密切關(guān)注，特別是在航空航天、汽車零部件生產(chǎn)、電子封裝等領(lǐng)域的使用需求與日俱增。
　　本文以TiB2/Al復(fù)合材料某葉輪鑄件的熔模鑄造工藝為研究對象，針對實際鑄造生產(chǎn)中葉輪鑄件出現(xiàn)的熱裂缺陷，采用商業(yè)鑄造分析軟件ProCAST對其鑄造過程的應(yīng)力場、流場和溫度場等進(jìn)行模擬分析。通過觀察鑄件鑄造全過程，預(yù)測并分析鑄件熱裂缺陷

2、產(chǎn)生的位置和原因，并對原有的初始澆注工藝方案進(jìn)行工藝優(yōu)化。通過反復(fù)模擬實驗，確定最佳工藝方案，以達(dá)到消除該種材料葉輪鑄件存在熱裂缺陷的目的。
　　由于ProCAST軟件自身的材料數(shù)據(jù)庫中缺乏有關(guān)TiB2/Al材料的熱物性與力學(xué)性能參數(shù)，且該種材料性能參數(shù)在固液兩相區(qū)的測量工作十分困難。本文借助顆粒增強(qiáng)型復(fù)合材料性能參數(shù)計算公式，并依據(jù)TiB2顆粒與A356合金各自的熱物性和力學(xué)性能參數(shù)隨溫度的變化關(guān)系，建立了體積分?jǐn)?shù)Vp為10％的

3、TiB2/Al材料數(shù)據(jù)庫，用于該種材料下葉輪鑄件鑄造過程的數(shù)值模擬研究。
　　為驗證建立的ProCAST中10%TiB2/Al材料數(shù)據(jù)庫的可靠性，以鑄造廠方提供的初始澆注工藝參數(shù)L1：澆注溫度為730℃，澆注速度為0.06m/s，型殼初始溫度為300℃，進(jìn)行了初始工藝方案的模擬分析。模擬結(jié)果表明，葉輪葉片厚薄不均，使其周圍各處冷卻、收縮不同步，相互制約產(chǎn)生了鑄造熱應(yīng)力，又因受到型殼由于熱脹冷縮產(chǎn)生的機(jī)械阻礙作用，鑄造熱應(yīng)力逐步積累

4、，當(dāng)應(yīng)力值超出該處材料的應(yīng)力極限時就會導(dǎo)致熱裂的形成。模擬中預(yù)測熱裂產(chǎn)生的位置與實際結(jié)果一致，證明了ProCAST中10%TiB2/Al材料數(shù)據(jù)庫對該種材料下鑄件的模擬研究和生產(chǎn)指導(dǎo)具有較高的參考價值，同時驗證了ProCAST鑄造分析軟件在熔模鑄造工藝過程模擬分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。
　　本研究為消除葉輪葉片兩端熱裂缺陷，以鑄件澆注溫度、澆注速度、型殼初始溫度為三變量參數(shù)進(jìn)行編組正交模擬實驗，通過各組模擬實驗結(jié)果的對比和分析，確定出最佳

5、工藝方案為L7：澆注溫度為750℃，澆注速度為0.08m/s， 型殼初始溫度為350℃。方案L7與初始方案模擬結(jié)果的對比分析可知：較高的型殼初始溫度和澆注溫度可以減緩遠(yuǎn)離澆口側(cè)下端各葉片處的熱量損失，從而保證了遠(yuǎn)離澆口側(cè)下端葉片部位的順序凝固，有效避免了葉片兩端鑄造應(yīng)力集中現(xiàn)象。
　　最后，進(jìn)行了TiB2/Al葉輪鑄件熔模鑄造實驗，其過程包括了壓型設(shè)計與制造、蠟?zāi)Ｖ苽?、型殼材料選擇與制備、脫蠟、焙燒、復(fù)合材料制備以及澆注

6、等工序；并對冷卻后的葉輪鑄件進(jìn)行了熱裂缺陷檢測和材料內(nèi)層微觀組織的電鏡觀察實驗。由射線探傷報告可知，改進(jìn)后澆注所得鑄件內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)鑄件熱裂缺陷；由微觀組織觀察實驗發(fā)現(xiàn)，原位反應(yīng)法生成的TiB2顆粒形狀規(guī)則、分布均勻，總體呈棱柱狀或粒狀，且顆粒與基體間結(jié)合緊密、無明顯反應(yīng)殘留物。由澆注實驗成功制得無裂紋缺陷的葉輪鑄件，再次驗證了TiB2/Al葉輪鑄件熔模熔模鑄造過程數(shù)值模擬的可靠性，為該種復(fù)合材料葉輪鑄件批量化生產(chǎn)提供了理論基礎(chǔ)和科學(xué)指導(dǎo)。