TC4合金立式離心充型凝固行為研究.pdf

1、本文采用實驗研究與計算機(jī)模擬相結(jié)合的方法，研究了鈦合金在立式離心力場中充型與凝固行為。重點(diǎn)研究了TC4(Ti-6Al-4V)合金在立式離心力場下石墨鑄型中澆鑄時，鑄件組織與力學(xué)性能隨離心力及鑄件模數(shù)(冷卻速度)的變化規(guī)律，獲得以下研究結(jié)果：
　　對本課題組開發(fā)的鑄件充型及凝固過程數(shù)值模擬集成軟件 LXCASM-3D進(jìn)行了改進(jìn)，加入了包括Coirolis力的計算等在內(nèi)的功能。并應(yīng)用該軟件通過計算機(jī)模擬的方法研究了鈦合金簡單平板件以及

2、多組薄壁鑄件在立式離心力場中充型與凝固行為，提出了為得到高質(zhì)量鑄件所需要的合理澆鑄工藝。研究結(jié)果表明：當(dāng)鑄件只通過一較短的內(nèi)澆口與直澆道直接相連且鑄件具有較大的橫截面時(如在水平放置的簡單平板件中)，由于Coriolis力的作用，鑄型的旋轉(zhuǎn)方向?qū)辖鹑垠w充填行為產(chǎn)生較大的影響。為了減少鑄件中缺陷的產(chǎn)生及改善鑄件質(zhì)量，應(yīng)該選擇可避免直接充型的澆鑄系統(tǒng)設(shè)計方案；模擬計算結(jié)果表明：對于多組薄壁件，為了達(dá)到平穩(wěn)及逐層的充填效果，利用旋轉(zhuǎn)鑄型系統(tǒng)

3、中的離心力進(jìn)行反向充填的澆鑄工藝是一種比較合理的立式離心鑄造工藝方案。
　　實驗研究了石墨型立式離心澆鑄鈦合金階梯及楔形鑄件時，鑄型轉(zhuǎn)速及離心力對鑄件內(nèi)部缺陷形成的影響，以及對階梯鑄件長度方向上尺寸收縮率的影響。結(jié)果表明：隨著重力系數(shù)的增加，TC4合金離心澆鑄的階梯鑄件中宏觀孔洞率呈指數(shù)方式明顯降低，當(dāng)鑄件所處位置的重力系數(shù)大于15時，基本上無明顯的孔洞產(chǎn)生；隨重力系數(shù)的增加，鑄件中微裂紋與微孔率相對含量呈減少趨勢，但夾雜物相對含

4、量卻明顯增加；充型順序是影響鑄件質(zhì)量的又一重要因素，充型路徑較長和充型早的鑄件中更容易卷入夾雜與氣泡等缺陷；在澆鑄系統(tǒng)同一位置處，階梯鑄件長度方向上尺寸收縮率隨離心轉(zhuǎn)速的增加而明顯減小，在同一鑄型轉(zhuǎn)速下，與離心力相比，鑄型的冷卻能力對鑄件尺寸收縮率的影響更明顯一些。
　　TC4合金在石墨型中立式離心澆鑄時，鑄件模數(shù)/冷卻速度及離心力對鑄件組織尺寸與力學(xué)性能影響如下所述：離心力場下凝固成形的TC4鑄件的微觀組織仍然呈現(xiàn)片層組織。離心

5、力的增大及模數(shù)的減小(冷速增加)均有利于細(xì)化鑄件的晶粒與片層組織，使鑄件的拉伸強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度有所提高。其中，鑄件模數(shù)對組織及性能的影響更明顯一些。對實驗測得的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析并經(jīng)多參數(shù)回歸處理后，得到了鑄造工藝參數(shù)，組織尺寸(包括晶粒尺寸及α/β-片層厚度)及力學(xué)性能之間的經(jīng)驗公式。
　　作為與鈦合金在不同轉(zhuǎn)速下石墨型中澆鑄實驗的對比分析，本文研究了TC4合金在鋼型及陶瓷殼型中分別進(jìn)行階梯件重力澆鑄及多組薄壁鑄件離心澆鑄時鑄件組織

6、與性能的變化規(guī)律。結(jié)果表明：TC4合金在鋼型中重力澆鑄時，鑄件晶粒尺寸及片層厚度隨冷卻速度的變化規(guī)律與其在石墨型中澆鑄時變化規(guī)律基本一致。由此表明：當(dāng)合金成分不變時，冷卻速度是影響 TC4鑄件組織尺寸的主要因素?？蓪煞N鑄型中得到的實驗數(shù)據(jù)放在一起共同表征 TC4合金在重力場中澆鑄時組織尺寸隨冷卻速度變化關(guān)系。對于陶瓷殼型中TC4合金多組薄壁離心鑄件，當(dāng)鑄件模數(shù)較小時，如：0mm

7、，當(dāng)M>7.00mm時，鑄件冷卻速度隨模數(shù)變化并不明顯。TC4合金在陶瓷型及石墨型中離心澆鑄時，所得鑄件微觀組織形態(tài)均呈現(xiàn)片層狀的“魏氏組織”。在兩種鑄型材料中成形的離心鑄件，當(dāng)鑄件所受離心力相等時，其晶粒尺寸及片層厚度均隨模數(shù)的增大而增加，且陶瓷型中鑄件模數(shù)對其組織尺寸影響更明顯。當(dāng)鑄件模數(shù)相等時，石墨型中鑄件的晶粒尺寸及片層厚度比較細(xì)??；鑄件抗拉強(qiáng)度均隨模數(shù)的增大而減小，且陶瓷型中鑄件模數(shù)對其抗拉強(qiáng)度的影響更明顯。鑄件模數(shù)相等時，石