真空吸鑄TiAl基合金亞快速凝固行為的研究畢業(yè)論文

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1、(此文檔為w?ord格式?，下載后您可?任意編輯修?改！) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題目 真空吸鑄T?iAl基合?金亞快速凝?固行為的研?究 （1）論文原創(chuàng)性?聲明和版權(quán)?使用授權(quán)書? 學(xué)位論文原?創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲?明：所呈交的論?文是本人在?導(dǎo)師的指導(dǎo)?下獨(dú)立進(jìn)行?研究所取得?的研究成果?。除了文中特?別加以標(biāo)注?引用的內(nèi)容?外，本論文不包?含任何其他?個人或集體?已經(jīng)發(fā)表或?撰寫的成果?作品。本人完全意?識到本聲明?的法律后果?由本人承擔(dān)?。 作者簽

2、名： 年 月 日 學(xué)位論文版?權(quán)使用授權(quán)?書 本學(xué)位論文?作者完全了?解學(xué)校有關(guān)?保障、使用學(xué)位論?文的規(guī)定，同意學(xué)校保?留并向有關(guān)?學(xué)位論文管?理部門或機(jī)?構(gòu)送交論文?的復(fù)印件和?電子版，允許論文被?查閱和借閱?。本人授權(quán)省?級優(yōu)秀學(xué)士?學(xué)位論文評?選機(jī)構(gòu)將本?學(xué)位論文的?全部或部分?內(nèi)容編入有?關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)?行檢索，可以采用影?印、縮印或掃描?等復(fù)制手段?保存和匯編?本學(xué)位論文?。 本學(xué)位論文?屬于 1、保密 □，在____?_____?年解密后適?用本授權(quán)書?。 2、不保密 □。 （請?jiān)谝陨舷?應(yīng)方框內(nèi)打?“√”） 作者簽

3、名： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 年 月 日 目錄 摘要 1 第一章 緒論 3 1.1課題的目?的及意義 3 1.2 TiAl基?合金的研究?現(xiàn)狀 3 1.2.1 TiAl基?合金的研究?進(jìn)展 3 1.2.2 TiAl基?合金的組織?特點(diǎn) 4 1.2.3 TiAl基?合金的應(yīng)用? 5 1.3 TiAl基?合金的成型?技術(shù) 5 1.3.1粉末冶金? 5 1.3.2鑄造冶金? 5 1.3.3鍛造成型? 6 1.3.4真空吸鑄? 7 1.4精密鑄造?小型薄壁T?iAl合金?件的應(yīng)用前?景

4、 7 1.5鑄造過程?中的數(shù)值模?擬 8 1.6主要研究?內(nèi)容 8 第二章 研究方法及?參數(shù)設(shè)置 9 2.1真空吸鑄?過程分析 9 2.2實(shí)驗(yàn)材料?及模擬參數(shù)?選取 9 2.2.1實(shí)驗(yàn)材料?選取 9 2.2.2模擬參數(shù)?選取 10 2.3研究方案? 11 第三章真空?吸鑄TiA?l基合金熔?體充型規(guī)律? 12 3.1數(shù)值模擬?流程 12 3.1.1造型 13 3.1.2網(wǎng)格劃分? 14 3.2 物性參數(shù)計(jì)?算 14 3.2工藝參數(shù)?對充型影響?的數(shù)值模擬? 20 3．2.1澆鑄溫度?對充型的影?響 20 3.2.2鑄型溫度?對充型的影?響 23 3.2.3澆鑄

5、速度?對充型的影?響 25 3.3數(shù)值模擬?確定的充型?影響從而控?制優(yōu)化工藝?參數(shù) 27 3.4模擬后的?薄板組織 28 致謝 32 參考文獻(xiàn) 33 39 第 39 頁 共 34 頁 真空吸鑄T?iAl基合?金亞快速凝?固行為研究? 學(xué) 生：熊凌云 指導(dǎo)老師：葉喜蔥 三峽大學(xué)機(jī)?械與動力學(xué)?院 【摘要】：TiAl合?金具有的優(yōu)?點(diǎn)有密度低?、彈性模量高?、高溫強(qiáng)度高?、抗蠕變性能?高好、高溫抗氧化?性能強(qiáng)，是飛機(jī)發(fā)動?機(jī)和火箭動?力系統(tǒng)所用?的新一代高?溫結(jié)構(gòu)材料?中的候選材?料之一。但由于其缺?點(diǎn)有室溫脆?性較大，延展性差，可

6、行性加工?困難等，從而限制了?TiAl 合金的應(yīng)用?。隨著時代的?發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)?逐步應(yīng)用于?鑄造領(lǐng)域，鑄造成型數(shù)?值模擬技術(shù)?可以預(yù)測工?作人員在鑄?造成型時鑄?件可能產(chǎn)生?的缺陷、缺陷產(chǎn)生的?時間、缺陷的大小?及缺陷的部?位，從而優(yōu)化鑄?造成型工藝?，確保鑄件質(zhì)?量，進(jìn)而降低生?產(chǎn)成本。本課題主要?使用Pro?CAST軟?件對TiA?l合金進(jìn)行?鑄造模擬，并對模擬后?的數(shù)據(jù)進(jìn)行?分析，從而來優(yōu)化?工藝參數(shù)。對不同的澆?鑄溫度，澆鑄速度和?鑄型溫度進(jìn)?行模擬，并對模擬后?的凝固分?jǐn)?shù)?，應(yīng)力，縮松、縮孔進(jìn)行分?析。對澆鑄溫度?分別為15?50℃、1575℃、1600℃、1625℃進(jìn)行模擬，結(jié)

7、果發(fā)現(xiàn)澆?鑄溫度15?50℃時，鑄件縮松、縮孔缺陷最???；對鑄型溫度?分別為60?0℃、400℃、200℃和0℃進(jìn)行模擬分?析，最后發(fā)現(xiàn)鑄?型溫度為2?00℃時總體性能?最好；對澆鑄速度?分別為2.4ms、1.6ms和0?.8ms進(jìn)行?模擬分析，最后發(fā)現(xiàn)0?.8ms時縮?松、縮孔缺陷最?小。最后結(jié)論是?當(dāng)澆鑄溫度?為1550?℃、鑄型溫度為?200℃、澆鑄速度為?0.8ms時澆?鑄最好。 關(guān)鍵詞：TiAl合?金；鑄造成型；ProCA?ST模擬；數(shù)據(jù)分析 【Abstr?act】：The advan?tage of gamma? TiAl-based

8、? alloy?s inlow densi?ty, speci?fic modul?us, speci?fic resis?tance? makes? them becam?eone of a new gener?ation? of aircr?aft engin?e androcke?t propu?lsion?. But the reaso?n of thedisad?vanta?ges ofroom tempe?ratur?ebritt?lenes?s,poor ducti?lity,feasi?bilit?y of proce?ssing? diffi?culti?es,which?

9、 limit?s the appli?catio?n ofTiAl alloy?. With the devel?opmen?t of the socie?ty,compu?ter techn?ology? gradu?allyappli?ed to thefield? of casti?ng, Formi?ngnumer?ical simul?ation? can simul?ation?staff?in the casti?ng proce?ss of the casti?ng defec?ts,the possi?ble time,and predi?cte the defec?ts

10、in the parts? of the casti?ng,so as to optim?ize thecasti?ng proce?ss,ensur?e the casti?ng quali?ty,reduc?e the cost of produ?ction?. This task mainl?yuse the ProCA?STsoftw?areto simul?ation? TiAl alloy?casti?ng proce?ss,and analy?sis of the simul?ation?data,thus to optim?ize theproce?ss param?eters

11、?. The diffe?rent of casti?ngtempe?ratur?e, casti?ng speed? and mold tempe?ratur?e were simul?ated, and after? simul?ation?, analy?sis the stres?s of solid?ifica?tion,shrin?kage and shrin?kage. 1550℃, 1575℃, 1600℃ and 1625℃ of the casti?ng tempe?ratur?e is simul?ated respe?ctive?ly, The resul?ts sh

12、owe?d that when the casti?ng tempe?ratur?e was 1550℃, the shrin?kage poros?ity and shrin?kage poros?ity of the casti?ng were minim?um.;The mold tempe?ratur?e was 600℃, 400℃, 200℃ and 0℃are simul?ated and analy?zed, The best overa?ll perfo?rmanc?e final?ly found? is mold tempe?ratur?e at 200℃; The ca

13、sti?ng speed? of 0.8ms, 1.6ms and 2.4ms were simul?ated and analy?zed, Final?ly found? the shrin?kage and shrin?kage defec?ts of the minim?um is casti?ng speed? of 0.8ms. The final? concl?usion? is that when the mold tempe?ratur?e is 200℃, the casti?ng tempe?ratur?e is 1550℃ and the casti?ng speed?

14、is 0.8ms, the casti?ng is best. Keywo?rds: TiAl alloy? ；casti?ng moldi?ng ；ProCA?ST simul?ation? ；analy?sis 第一章 緒論 1.1課題的目?的及意義 γ-TiAl合?金具優(yōu)點(diǎn)有?密度低、彈性模量高?、高溫強(qiáng)度高?、抗蠕變性能?、高溫抗氧化?性能，是飛機(jī)發(fā)動?機(jī)和火箭推?進(jìn)系統(tǒng)所用?的新一代高?溫結(jié)構(gòu)材料?中的候選材?料之一[1-3]。但由于其缺?點(diǎn)有室溫脆?性較大，延展性差，可行性加工?困難，從而限制了?TiAl 合金的應(yīng)用?。隨著航天航?空

15、事業(yè)和造?船業(yè)的迅猛?的發(fā)展，對于發(fā)動機(jī)?的要求愈來?愈高，而尤其是發(fā)?動機(jī)的推重?比跟不上是?阻礙這些行?業(yè)發(fā)展的最?核心的問題?，想提高發(fā)動?機(jī)的性能，最主要是提?高葉片的性?能，而TiAl?合金的密度?低等這些優(yōu)?點(diǎn)，使得其成為?發(fā)動機(jī)葉片?的首選材料?之一，但是由于T?iAl基合?金的室溫塑?性差，加工成型能?力不足，使得TiA?l基合金的?發(fā)展受到阻?礙，所以TiA?l基合金材?料的制備是?一個非常的?核心問題。 因?yàn)門iA?l基合金熔?體自身粘度?大、流動性差、且在高溫條?件下輕易和?其他物質(zhì)發(fā)?生化學(xué)反應(yīng)?的這些缺點(diǎn)?，使得TiA?l基合金成?型尤其艱難?，于是很多研?究工作者

16、嘗?試不同的成?型方法，目前運(yùn)用到?TiAl基?合金成型的?方法有很多?。如粉末冶金?、離心鑄造、熔模鑄造、機(jī)械和進(jìn)化?等等成型方?法。然而由于T?iAl基合?金自身熔體?流動性差、高溫易于其?他物質(zhì)產(chǎn)生?化學(xué)反應(yīng)、粘度大等特?征，使得TiA?l基合金熔?體本身鑄造?性能差，鑄造出來的?組織往往組?織粗大、偏析嚴(yán)重，所以要想獲?得良好的鑄?件，尤其是薄壁?鑄件更為艱?難。在對TiA?l 基排氣閥離?心鑄造技術(shù)?的研究中，K. Liu[4]提出，TiAl基?合金的合金?液的溫度越?高，則澆鑄時金?屬液過熱度?越高，則充填率越?好，當(dāng)合金的過?熱度達(dá)到 180℃，鑄件充型尤?為良好。德國學(xué)者A?.

17、 Choud?hury 和及M. Blum 研究發(fā)現(xiàn)[5]，鑄型加熱到? 1000℃才可以防止?鑄件中縮孔?缺陷的發(fā)生?。而當(dāng)前對于?TiAl基?合金在航空?航天等領(lǐng)域?的使用，尤其在發(fā)動?機(jī)領(lǐng)域的使?用更注重于?薄壁鑄件，而對于Ti?Al基合金?的薄壁鑄件?鑄造又由為?困難，所以本課題?采用另一種?成型方法即?真空吸住的?亞快速凝固?行為的研究?，想突破傳統(tǒng)?的鑄造成型?困難的問題?，從而獲得良?好的TiA?l基合金的?薄壁鑄件。而本課題采?用真空吸鑄?的方法，可以很好的?彌補(bǔ)其他成?型的缺陷 1.2 TiAl基?合金的研究?現(xiàn)狀 1.2.1 TiAl基?合金的研究?進(jìn)展 由于Ti

18、A?l合金具有?的優(yōu)點(diǎn)有：合金密度低?、彈性模量高?、高溫強(qiáng)度高?、高溫抗氧化?性能高等許?多突出的優(yōu)?點(diǎn)，使得TiA?l基合金受?到國內(nèi)外廣?大學(xué)者的關(guān)?注，并把TiA?l基合金作?為下一代新?型輕質(zhì)高溫?結(jié)構(gòu)材料。早在上世紀(jì)?80年代以?來，TiAl基?合金就引起?了國內(nèi)外廣?大科研工作?者的注意。早在195?0年，就有美國科?學(xué)家對Ti?Al基合金?的性能進(jìn)行?了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)T?iAl基合?金的溫室塑?性太差，而放棄研究?。15年后，美國學(xué)家M?.Black?burn 教授對Ti?Al進(jìn)行了?深層次的研?究，最后發(fā)現(xiàn)T?i-48Al-1V-0.3C擁有最?佳性能，即第一代T?iAl基合

19、?金。直至80年?代末，美國科學(xué)家?又開發(fā)了二?代TiAl?合金，并經(jīng)過多次?試驗(yàn)，證明了二代?TiAl合?金具有優(yōu)良?的綜合性能?。接著后來，TiAl基?合金不斷的?被人類研究?開發(fā)，其強(qiáng)大的優(yōu)?良性能也不?斷的展現(xiàn)出?來，引起了很多?學(xué)者的不斷?研究的興趣?，也促進(jìn)了航?空航天也、造船業(yè)、醫(yī)療器具制?造業(yè)的發(fā)展?，逐步出現(xiàn)三?代、四代TiA?l基合金。國內(nèi)在Ti?Al合金的?研究起步比?較晚，沒有歐美起?步早。中國科學(xué)院?金屬腐蝕與?防護(hù)研究所?唐兆麟等[6.7] 在1997?年通過實(shí)驗(yàn)?研究發(fā)現(xiàn)，在一定條件?下通過添加?Cr元素T?iAl將會?具有特別好?的防氧化效?果，到2000?年西

20、北有色?金屬研究所?發(fā)現(xiàn)Al元?素的波動對?其高溫氧化?行為具有影?響。到2007?年，北京科技大?學(xué)張寧等通?過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)?適當(dāng)添加Y?元素可以提?高高鈮Ti?Al合金的?高溫長期抗?氧化性，還可以起到?細(xì)晶強(qiáng)化的?作用，使外層晶粒?細(xì)小從而形?成致密的氧?化膜，阻止進(jìn)一步?氧化。 1.2.2 TiAl基?合金的組織?特點(diǎn) γ-TiAl合?金具優(yōu)點(diǎn)有?密度低、彈性模量高?、高溫強(qiáng)度高?、高溫抗氧化?性能、抗蠕變性能?，TiAl 基金屬間化?合物較 Ti3Al? 及 Ti 合金有顯著?的優(yōu)越高溫?性能[8]，TiAl基?合金的合金?成分、晶粒大小、加工方法決?定其室溫拉?伸性能。一般來說

21、，經(jīng)過熱處理?TiAl基?合金可以獲?得四種組織?：全片層組織?、近片層組織?、雙態(tài)組織、近γ組織。全片層組織?一般組織比?較粗大，室溫延展性?和強(qiáng)度較低?，降低組織尺?寸可以改善?。近片層組織?(NL)，在剛低于T?溫度不遠(yuǎn)的?γα2兩相?區(qū)進(jìn)行熱處?理，經(jīng)爐冷或空?冷就可以得?到γα2片?層團(tuán)和小量?分布于層片?團(tuán)間的等軸?γ晶粒組成?的近全片層?組織。雙態(tài)組織(DP)，在兩相體積?分?jǐn)?shù)大約相?稱的溫度，約Tα-60℃，γ+α 兩相區(qū)進(jìn)行?熱處理，經(jīng)爐冷或空?冷可以獲得?γα2片層?團(tuán)，最終獲得等?軸γ晶粒和?γα2層片?團(tuán)組織。近γ組織(NG)，在剛高于共?析溫度的γ?+α兩相區(qū)進(jìn)?行熱

22、處理，得到基本都?是由等軸γ?晶粒所組成?的組織，通常含有少?量的細(xì)小α?相顆粒在γ?晶界[9]。由于TiA?l室溫塑性?低一直是阻?礙其發(fā)展的?主要因素，為了使Ti?Al得到良?好的應(yīng)用，必須解決其?室溫塑性低?的問題，然而可以通?過改變Ti?Al的組織?進(jìn)而來改變?TiAl的?溫室塑性，經(jīng)過科研人?員的大量實(shí)?驗(yàn)表明，控制TiA?l的微觀組?織可以提高?TiAl的?溫室塑性，目前改善微?觀組織的方?法主要有五?種：（1）完善制備工?藝，設(shè)計(jì)合理的?制造工藝。（2）合金化及微?合金化。（3）降低環(huán)境脆?性。(4)在基體中參?加塑性纖維?或加入塑性?粒子。（5）改進(jìn)微觀組?織可以采用?雙相顯微

23、組?織，而雙態(tài)組織?擁有良好的?室溫塑性，但斷裂韌性?和抗蠕變性?能較差；還可以通過?細(xì)化晶粒尺?寸減小滑移?帶長度，進(jìn)而減小滑?移面的位錯?長度和位錯?堆積，但會造成滑?移面交截處?和晶界的應(yīng)?力集中，容易形成裂?紋；還可以通過?控制晶界雜?質(zhì)析出和控?制板條間距?，由于晶界雜?質(zhì)第二象可?以阻礙位錯?的發(fā)生，而析出雜質(zhì)?第二象則會?導(dǎo)致晶界脆?性，所以需要控?制其析出的?量。 1.2.3 TiAl基?合金的應(yīng)用? 隨著人們對?TiAl合?金的不斷研?發(fā)與探究，TiAl合?金的潛在價(jià)?值逐漸被人?們所關(guān)注，應(yīng)用范圍也?不斷的被拓?寬，研發(fā)的科研?人員目光更?注重TiA?l的實(shí)際應(yīng)?用

24、，TiAl基?合金密度低?，作為減重材?料，來代替鎳基?合金，更優(yōu)于鎳基?合金。而航空和發(fā)?動機(jī)部件迫?切需求減重?材料，于是TiA?l基合金騰?空出世， 廣泛被采用?。由于TiA?l合金的密?度比較小，可以用與空?行航天這些?急需減重的?高科技行業(yè)?，還可以用來?制造汽車的?發(fā)動機(jī)，制作一些發(fā)?動機(jī)的部件?，例如，用來制造汽?車的排氣閥?，從而使得汽?車的排氣閥?質(zhì)量減輕，進(jìn)而減少噪?音，改進(jìn)發(fā)動機(jī)?性能。另外，又由于Ti?Al基合金?的比模量高?，可以制作隔?板、渦輪葉等一?下需要高強(qiáng)?度的結(jié)構(gòu)件?上。TiAl還?有優(yōu)點(diǎn)如：該合金在6?00—750℃之間具有良?好的抗蠕變?性能，部分可以用

25、?來取代鎳基?合金。 1.3 TiAl基?合金的成型?技術(shù) 目前TiA?l的成型方?法主要有鍛?造、粉末冶金和?鑄造的方法?，下面分別來?談?wù)勂涑尚?方法的優(yōu)缺?點(diǎn) 1.3.1粉末冶金? TiAl基?合金塑性差?，加工極為困?難，利用粉末冶?金可以得到?成型的Ti?Al基合金?零件，得到的組織?也比鑄錠冶?金的組織細(xì)?小、均勻。當(dāng)我們選用?粉末冶金技?術(shù)時，首先得制備?出純度、粒度符合要?求的TiA?l合金粉末?，并且再經(jīng)過?模壓、擠壓、燒結(jié)等技術(shù)?處理手段才?能是TiA?l合金成行?，而在粉末冶?金成行方法?得到的成品?致密程度是?限制粉末冶?金使用的主?要因素，致密度往往?與T

26、iAl?合金的成分?、顆粒大小、燒結(jié)時間、燒結(jié)溫度及?加熱速度有?關(guān)。原顆粒越小?，則致密度越?高，加熱速度越?快則不利于?提高成品致?密度。 在粉末冶金?時間隙雜質(zhì)?以及致密度?問題制約了?該方法的應(yīng)?用，但通過純化?粉末的方法?使得該方法?得到改善和?提高。粉末冶金易?于制造形狀?比較復(fù)雜的?零件而且可?以節(jié)省大量?的原材料，降低成本。其缺點(diǎn)是在?燒結(jié)的時候?容易造成體?積膨脹，導(dǎo)致成品致?密度不高，合金組織均?勻性差。但近年來開?發(fā)了幾種具?有良好發(fā)展?前景的Ti?Al合金粉?末凈形加工?技術(shù)，還有J. Moll認(rèn)?為，粉末冶金技?術(shù)可以減小?偏析和加工?周期。所以粉末冶?金總體來說?

27、還是處于蓬?勃的良好的?發(fā)展勢頭。 1.3.2鑄造冶金? 目前應(yīng)用于?TiAl基?合金的鑄造?成型方法主?要有熔模鑄?造、離心鑄造、反重力低壓?鑄造。熔模鑄造成?本比較低，并且熔模鑄?造可以得到?尺寸精確、表面光滑的?鑄件，最主要的特?征是可以得?到尺寸精度?高、表面粗糙度?小的鑄件，熔模鑄造還?可以鑄造形?狀復(fù)雜的鑄?件，熔模鑄造還?不受材料的?限制，對于難以鍛?造和難以加?工的合金材?料來說，熔模鑄造是?一個非常好?的選擇，而且鑄造精?度高，可以進(jìn)行精?鑄。但由于Ti?Al在高溫?下具有很高?的活性，可以與耐熱?的材料反應(yīng)?，這樣就使得?在熔模鑄造?時鑄件表面?容易產(chǎn)生污?染層，

28、如此影響鑄?件的外觀質(zhì)?量，也影響鑄件?的內(nèi)在性能?。 隨著工業(yè)的?不斷發(fā)展，鑄造技術(shù)受?到廣泛資本?家的歡迎，如果能夠直?接鑄造出來?精密的工件?，則不需要二?次加工，這樣將會省?很多成本。于是離心鑄?造技術(shù)在這?樣的潮流的?推動下得到?了廣泛的應(yīng)?用。由于離心鑄?造時鑄型的?旋轉(zhuǎn)速度很?快，充型時金屬?液在強(qiáng)大的?離心力的作?用下而充滿?型腔，并凝固，使得合金液?的充型能力?更強(qiáng)，鑄造出來的?鑄件更加致?密。離心鑄造與?重力鑄造相?比，鑄件更致密?、充型能力更?強(qiáng)。由于離心力?的作用，離心鑄造還?可以對縮松?縮孔、充型不足、氣孔、夾雜等缺陷?進(jìn)行改善。但是也由于?離心力的作?用使得氣體?

29、、熔渣等雜物?集聚在鑄件?表面，使得鑄件質(zhì)?量較差，需要進(jìn)行再?加工，也使得鑄件?容易偏析。 1.3.3鍛造成型? 對TiAl?基合金進(jìn)行?鍛造時，鍛造負(fù)荷比?較大，鍛造溫度很?窄，微觀組織不?均勻，局部容易過?熱，鍛件表面容?易產(chǎn)生裂紋?。所以常常鍛?造出來的零?件可塑性比?較差，難以鍛出比?較復(fù)雜的零?件，材料利用率?比較低。TiAl基?合金變形抗?力受變形速?度和變形溫?度的影響較?大，所以鍛造T?iAl基合?金適用于等?溫鍛造，即將鍛坯與?磨具加熱到?等溫時進(jìn)行?鍛造。這樣就能在?變形溫度較?慢時進(jìn)行鍛?造成型。如圖1-1等溫鍛造?下的壓氣機(jī)?葉片。 圖1-1 等溫鍛造壓

30、?氣機(jī)葉片 1.3.4真空吸鑄? 金屬型底注?式真空吸鑄?是一種鑄造? TiAl 基合金材料?新工藝技術(shù)?如圖1-2，可以很好地?彌補(bǔ)TiA?l其他鑄造?成型方法中?的缺陷，其優(yōu)點(diǎn)有以?下幾點(diǎn)： （1）由于合金液?體在上下壓?差下凝固，可以減小縮?松縮孔等缺?陷。 （2）由于TiA?l基合金的?金屬液流動?性差，在熔模鑄造?中需要很高?的過熱度才?能充型好，而在真空吸?鑄中不需要?太高的過熱?度就可以很?好地充型。 （3）TiAl基?合金高溫時?活性強(qiáng)，很容易被氧?化，而真空吸鑄?是在真空條?件下進(jìn)行，防止合金液?在凝固過程?中被氧化。 （4）金屬液在澆?鑄時，由于金屬液?與型

31、腔接觸?，使得流動速?度減慢，凝固速度變?快，使得充型能?力下降，容易造成澆?不足、流痕等缺陷?，但真空吸鑄?是在重力和?上下壓差的?作用下，使得充型能?力得到提高?，保證充型完?整。 圖1-2真空吸鑄?示意圖 1.4精密鑄造?小型薄壁T?iAl合金?件的應(yīng)用前?景 早在很多年?前世界上那?些發(fā)達(dá)國家?就對TiA?l基合金在?航空航天行?業(yè)進(jìn)行了深?入研究，尤其作為世?界超級大國?的美國，對TiAl?合金的研究?更早。由于TiA?l基合金的?彈性模量高?，密度低，高溫強(qiáng)度高?，高溫抗氧化?性能高，高溫抗蠕變?性能好等優(yōu)?良性能，使得TiA?l基合金大?量使用在航?空航天和發(fā)?動機(jī)

32、制造等?行業(yè)，成為飛機(jī)發(fā)?動機(jī)和火箭?推進(jìn)系統(tǒng)所?用的新一代?高溫結(jié)構(gòu)材?料中的候選?材料之一，深受從事高?溫結(jié)構(gòu)材料?研發(fā)的工作?人員的青睞?，但由于Ti?Al基合金?的室溫脆性?低，使得TiA?l基合金的?薄壁鑄件的?鑄造更為艱?難，因此，精密鑄造T?iAl基合?金的應(yīng)用前?景之廣闊。 1.5鑄造過程?中的數(shù)值模?擬 隨著時代的?發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)?逐步應(yīng)用于?鑄造領(lǐng)域，鑄造成型數(shù)?值模擬技術(shù)?在優(yōu)化熔模?工藝和研究?金屬熔模理?論起著越來?越重要的作?用。鑄造成型數(shù)?值模擬技術(shù)?可以預(yù)測實(shí)?際過程中工?作人員在鑄?造成型時鑄?件可能產(chǎn)生?的缺陷、產(chǎn)生的時間?、缺陷的大小?及缺陷的部

33、?位，從而進(jìn)行優(yōu)?化鑄造成型?工藝，確保鑄件質(zhì)?量，降低生產(chǎn)成?本，縮短試制周?期。主要有應(yīng)力?場數(shù)值模擬?、充型數(shù)值模?擬、縮松縮孔數(shù)?值模擬。 1.6主要研究?內(nèi)容 真空吸鑄是?鑄造TiA?l基合金的?一種新工藝?技術(shù)，其主要優(yōu)點(diǎn)?有以下幾個?方面： （1）由于TiA?l基合金的?活性比較大?，在空氣中容?易氧化，而真空吸鑄?在真空下進(jìn)?行鑄造，避免了金屬?液在凝固過?程中的氧化?。 （2）在真空條件?下鑄造，型腔與外界?存在壓力差?，而在壓力差?的條件下鑄?造成型，可以減少縮?松、縮孔缺陷的?形成。 （3）由于TiA?l基合金液?體的流動性?比較差，在熔模鑄造?時需要給液?

34、體很高的溫?度才能保證?充型完整，而在真空吸?鑄時，不需要太高?的溫度就可?以充型完整?。 本課題主要?是利用pr?ocast?軟件對小薄?壁型TiA?l基合金鑄?件進(jìn)行鑄造?成型數(shù)值模?擬，觀察模擬整?個過程中的?充型過程和?溫度變化，以及調(diào)整工?藝參數(shù)從而?減少模擬過?程中縮松、縮孔等缺陷?的產(chǎn)生，從而優(yōu)化工?藝。 第二章 研究方法及?參數(shù)設(shè)置 2.1真空吸鑄?過程分析 真空吸鑄充?型過程是在?金屬液自身?重力和鑄型?上下壓差作?用下進(jìn)行充?型的，使得充型動?力增加，而TiAl?合金金屬液?活性大，流動性差，冷卻速度快?，而真空吸鑄?可以

35、增加充?型動力，于是該工藝?可以澆鑄小?型薄壁件T?iAl合金?件。因?yàn)樾颓惶?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(jìn)而導(dǎo)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(jìn)?行優(yōu)化。當(dāng)金屬液溫?度過低時，薄壁件凝固?速度過快

36、，容易產(chǎn)生澆?不足等缺陷?；當(dāng)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(dāng)以過小的?澆鑄速度進(jìn)?行澆鑄時，雖然金屬液?能保持平穩(wěn)?狀態(tài)進(jìn)入型?腔，但由于金屬?液冷卻速度?快，也容易產(chǎn)生?澆不足；當(dāng)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(dāng)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(dāng)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

37、過?程中要選擇?一定的澆鑄?溫度、澆鑄速度和?鑄型溫度。 2.2實(shí)驗(yàn)材料?及模擬參數(shù)?選取 2.2.1實(shí)驗(yàn)材料?選取 本課題研究?的是真空吸?鑄對TiA?l基合金的?亞快速凝固?行為，所以鑄件主?要材料為T?iAl合金?，TiA合金?的優(yōu)點(diǎn)是具?有非常好的?彈性模量，高溫強(qiáng)度和?氧化性能，使得它在未?來的渦輪發(fā)?動機(jī)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(jī)?的應(yīng)用需要?仔細(xì)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(shè)?計(jì)要求，合金化是一?

38、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(qiáng)度?和抗氧化性?能，更是高達(dá)1?2%的Nb已被?用來作為合?金添加劑[14]。目前尚不清?楚，Nb含量達(dá)?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(jī)部件?服務(wù)。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Ti?Al合金為?主要材料的?情況下，我還加入少?量的Nb進(jìn)?行模擬，于是這次選?擇的材料為?Ti45.5%Al8%Nb進(jìn)行模?擬。 2.2.2模擬參數(shù)?選取 本次模擬思?路如下： （1）鑄件尺寸為

39、?20mm60mm2mm的薄?板件，鑄型為高度?為80mm?直徑為24?mm的圓柱?體，冒口為圓錐?形。 （2）鑄件材料為?Ti45.5%Al8%Nb，鑄型材料為?冷鐵H-13。 （3）由于Ti4?5.5%Al8%Nb材料的?液相線和固?相線分別為?1503℃和1444?℃。凝固分?jǐn)?shù)線?如圖2-1。所以初步選?取模擬溫度?為1600?℃，澆鑄速度為?2.4ms(對應(yīng)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100?0--2000），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

40、不?變，變換其他一?個參數(shù)，選取最好個?參數(shù)，依次進(jìn)行控?制單一變量?進(jìn)行模擬，注重目的選?取一個最好?的模擬參數(shù)?。 圖2-1.凝固分?jǐn)?shù)線?與溫度關(guān)系?圖 2.3研究方案? 本課題主要?利用pro?cast來?進(jìn)行TiA?l基合金真?空吸鑄的充?型模擬和凝?固過程的模?擬來指導(dǎo)實(shí)?踐，由于設(shè)備有?限，只進(jìn)行模擬?，不進(jìn)行試驗(yàn)?。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T?iAl基合?金在真空吸?鑄過程中的

41、?凝固特性。本課題中的?最終凝固溫?度為600?℃，因?yàn)?00?℃時TiAl?早以完全凝?固，設(shè)置凝固最?終溫度為6?00℃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6?00℃時所用的時?間，凝固分?jǐn)?shù)是?指在凝固過?程中合金溶?液中固相的?分?jǐn)?shù)?？s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TiA?l基合金熔?體充型規(guī)律? 圖3-1proc?ast模擬?流程圖 3.1數(shù)值模擬?流程 Proca?st軟件模?擬的流程如?

42、圖3-1， 首先建立三?維模型，然后進(jìn)行面?網(wǎng)格劃分、體網(wǎng)格劃分?，再進(jìn)行參數(shù)?設(shè)置，最后進(jìn)行可?視化處理，進(jìn)行結(jié)果分?析。本課題模擬?具體步驟如?下： (1) 首先用pr?oe建立三?維模型，鑄型如圖3?-2、鑄件如圖3?-3。然后將建立?的鑄型跟鑄?件裝配起來?，裝配圖如圖?3-4。另存為ig?s格式 (2) 將裝配圖的?igs格式?導(dǎo)入mes?hcast?中進(jìn)行面網(wǎng)?格和體網(wǎng)格?的劃分。 (3) 進(jìn)行初始條?件設(shè)置，先對鑄型和?鑄件進(jìn)行材?料設(shè)置，然后進(jìn)行邊?界條件設(shè)置?（包括澆鑄速?度、澆鑄溫度、換熱系數(shù)及?鑄型溫度），設(shè)置好后進(jìn)?入ProC?AST進(jìn)行?模擬。 (4) 模擬完

43、成后?進(jìn)入可視化?結(jié)果分析。 a) b) 圖3-2.鑄型圖 圖3-3鑄件圖 圖3-4. a)為裝配后的?框架圖，b)為裝配后的?實(shí)物圖 3.1.1造型 本課題中的?三維造型是?用proe?進(jìn)行三維造?型的，鑄件的是2?0mm60mm2mm的薄?板件，鑄型為高度?為80mm?直徑為24?mm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。 3.1.2網(wǎng)格劃分? 網(wǎng)格劃分是?決定pro?cast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

44、劃?分不好后面?將無法進(jìn)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(jìn)行處理?，否則后面進(jìn)?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(xì)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(shè)大一點(diǎn)，這樣就可以?縮短模擬時?間。 3.2 物性參數(shù)計(jì)?算 ProCA?ST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(zhǔn)確性。材料

45、的熱物?性參數(shù)直接?決定著溫度?場模擬的準(zhǔn)?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(shí)際才更加?相近。 圖2-1為合金固?相分?jǐn)?shù)線與?溫度的關(guān)系?，從圖中可以?清楚的看出?，當(dāng)溫度為1?444℃時，凝固分?jǐn)?shù)為?1，也可以看出?Ti45.5%Al8%Nb材料的?固相線為1?444℃。當(dāng)溫度為1?503℃時，從圖中可以?看出凝固分?數(shù)為0，也可以看出?Ti45.5%Al8%Nb的液相?線溫度為1?503℃。 圖3-5.Ti45.5%Al合金固?相分?jǐn)?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(qiáng)度?和抗

46、氧化性?能，目前尚不清?楚，Nb含量達(dá)?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(jī)部件?服務(wù)。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Ti?Al合金為?主要材料的?情況下，我還加入少?量的Nb進(jìn)?行模擬。下面來比較?一下Ti4?5.5%Al8%Nb與不加?Nb的Ti?45.5%Al合金的?性能進(jìn)行比?較 由圖2-1為Ti4?5.5%Al8%Nb合金的?凝固分?jǐn)?shù)與?溫度之間的?關(guān)系與圖3?-5為Ti4?5.5%Al合金的?凝固分?jǐn)?shù)與?溫度之間的?關(guān)系可以看?出，Ti45.5%Al8%Nb合金的?液相線溫度?比Ti45?.5

47、%Al合金的?液相線溫度?低，在澆鑄Ti?45.5%Al8%Nb合金時?所需的最低?澆鑄溫度比?Ti45.5%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。如果在相同?溫度情況下?進(jìn)行澆鑄時?Ti45.5%Al8%Nb合金的?過冷度大，金屬液流動?性好，有利于充型?。 圖3-6.Ti45.5%Al8%Nb合金的?焓值與溫度?之間的關(guān)系? 由圖3-6 Ti45.5%Al8%Nb合金的?焓值與溫度?之間的關(guān)系?與圖3-7為Ti4?5.5%Al合金的?焓值與溫度?之間的關(guān)系?進(jìn)行比較可?以看出，在相同溫度?下，Ti45.5%Al合金的?焓值明顯要?比Ti45?

48、.5%Al8%Nb合金的?焓值高，并且Ti4?5.5%Al合金的?焓值隨溫度?的增長率也?比Ti45?.5%Al8%Nb合金大?，而焓值在熱?力學(xué)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。從此處可以?看出Ti4?5.5%Al8%Nb合金比?不加Nb的?Ti45.5%Al合金要?穩(wěn)定。 圖3-7.Ti45.5%Al合金的?焓值與溫度?之間的關(guān)系? 由圖3-8為Ti4?5.5%Al8%Nb合金的?密度與溫度?之間的關(guān)系?與圖3-9為Ti4?5.5%Al合金的?密度與溫度?之間的關(guān)系?可以看出，Ti45.5%Al8%Nb合金的?密度比Ti?45.5%Al合金

49、的?密度大，造成這中情?況產(chǎn)生的原?因是加了N?b而產(chǎn)生的?。 圖3-8.Ti45.5%Al8%Nb合金的?密度與溫度?之間的關(guān)系? 圖3-9.Ti45.5%Al合金的?密度與溫度?之間的關(guān)系? 由圖3-10為Ti?45.5%Al8%Nb合金的?導(dǎo)熱系數(shù)與?溫度之間的?關(guān)系與圖3?-11為Ti?45.5%Al合金的?導(dǎo)熱系數(shù)與?溫度之間的?關(guān)系可以看?出，在溫度大于?1400℃時Ti45?.5%Al合金的?導(dǎo)熱系數(shù)明?顯要比Ti?45.5%Al8%Nb合金的?導(dǎo)熱系數(shù)大?，導(dǎo)熱系數(shù)越?大，則保溫效果?越差。 圖3-10.Ti45.5%Al8%Nb合金的?導(dǎo)熱系數(shù)與?溫度

50、之間的?關(guān)系 由圖3-12為Ti?45.5%Al8%Nb合金的?粘度與溫度?之間的關(guān)系?與圖3-13為Ti?45.5%Al合金的?粘度與密度?之間的關(guān)系?可以看出，Ti45.5%Al8%Nb合金的?粘度比Ti?45.5%Al合金的?粘度大，然而合金液?粘度越大，則充型越困?難。 圖3-11.Ti45.5%Al合金的?導(dǎo)熱系數(shù)與?溫度之間的?關(guān)系 圖3-12.Ti45.5%Al8%Nb合金的?粘度與溫度?之間的關(guān)系? 圖3-13 .Ti45.5%Al合金的?粘度與密度?之間的關(guān)系? 總體來說，加Nb的T?iAl基合?金整體性能?比不加Nb?的TiAl?基合金性能?

51、要好。 3.2工藝參數(shù)?對充型影響?的數(shù)值模擬? 3．2.1澆鑄溫度?對充型的影?響 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?，選取的澆鑄?速度為2.4ms，換熱系數(shù)為?1000w?m2k，鑄型溫度初?步選取60?0℃。澆鑄溫度選?取1550?℃、1575℃、1600℃、1625℃進(jìn)行數(shù)值模?擬。以下對模擬?后的可視化?結(jié)果進(jìn)行分?析。 首先對凝固?分?jǐn)?shù)進(jìn)行分?析，模擬后的凝?固分?jǐn)?shù)如圖?3-14 由上面圖3?-14中澆注?溫度分別為?1550℃、1575℃、1600℃、1625℃凝固分?jǐn)?shù)圖

52、?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(bǔ)?縮，薄板在后期?凝固過程中?容易產(chǎn)生縮?松、縮孔。當(dāng)澆鑄溫度?較高時，很明顯，澆口部位計(jì)?較寬，薄板在后期?凝固時能夠?得到澆口部?位合金液的?補(bǔ)縮。但 由于澆鑄溫?度高，凝固速度緩?慢，從圖3-14中澆鑄?溫度為16?25℃時，很明顯可以?看出，薄板中下部?凝固分?jǐn)?shù)比?較小，液相所占比?例較大，但澆口部位?凝固分?jǐn)?shù)比?較高，在后期 d) c) b) a) 圖3-14.為模擬后的?凝固分?jǐn)?shù)圖?，澆鑄溫度為?a) 1550℃、b) 1575℃、c) 1600℃、

53、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(bǔ)?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(yīng)選擇更好?澆鑄溫度。 a) b) c) d) 圖3-15.為應(yīng)力圖，澆鑄溫度為?a) 1550℃、b) 1575℃、c) 1600℃、d) 1625℃ 由上面圖3?-15中15?50℃、1575℃、1600℃、1625℃應(yīng)力圖可知?，澆鑄溫度為?1550℃時，主要應(yīng)力集?中在薄板正?中部，1575℃應(yīng)力集中在?薄板中上部?，1600℃應(yīng)力主要集?中在薄板中

54、?下部，1625℃應(yīng)力基本分?布在薄板的?全部位置，從此處應(yīng)力?圖可以跟凝?固分?jǐn)?shù)圖聯(lián)?合起來看，彼此是相互?聯(lián)系的。當(dāng)澆鑄溫度?為1550?℃和1575?℃時，薄板只有中?部凝固分?jǐn)?shù)?比較小，其余基本完?全凝固，并且面積也?不是很大，而澆鑄溫度?為1600?℃和1625?℃很明顯薄板?中部凝固分?數(shù)比較小的?面積明顯較?前兩種大，尤其是澆鑄?溫度為16?25℃時，中部還有一?大片凝固分?數(shù)非常小的?區(qū)域，很明顯在后?期凝固過程?中，交口處合金?液得不到補(bǔ)?縮，四周凝固收?縮，就會造成應(yīng)?力就非常大?，由圖也可以?明顯的反映?出來，在下方有黃?色區(qū)域，由對比卡可?知，此處應(yīng)力更?大。 d)

55、 b) a) c) 圖3-16.為縮松縮孔?圖，澆鑄溫度為?a) 1550℃、b) 1575℃、c) 1600℃、d) 1625℃ 由上面圖3?-16中15?50℃、1575℃、1600℃、1625℃縮松、縮孔圖可知?：當(dāng)澆注溫度?為1550?℃時縮松、縮孔面積最?小，縮松、縮孔位置處?于板件的中?部；當(dāng)澆注溫度?為1575?℃時，縮松、縮孔在薄板?中部比較多?，薄板底部存?在少數(shù)；澆鑄溫度為?1600℃時，縮松、縮孔位置主?要集中在中?下部；當(dāng)澆鑄溫度?為1625?℃時，縮松、縮孔面積最?大，主要集中在?中下部，并且中部還?有少量縮松?、縮孔。從縮松、縮孔出現(xiàn)的?位置

56、可以與?上面的凝固?分?jǐn)?shù)圖聯(lián)系?起來，縮松、縮孔主要出?現(xiàn)在凝固分?數(shù)比較低的?部位，由于后期凝?固而又得不?到合金液的?補(bǔ)縮，就造成了縮?松、縮孔。 最后由圖3?-14、圖3-15和圖3?-16綜合分?析，澆鑄溫度為?1550℃時，比較好。 3.2.2鑄型溫度?對充型的影?響 本次選取的?工藝參數(shù)為?澆鑄溫度為?1550℃，澆鑄速度為?2.4ms，換熱系數(shù)為?1000 wm2k，鑄型溫度分?別為600?℃、400℃、200℃和0℃進(jìn)行對比分?析，從中選取一?個比較好的?鑄型溫度。模擬后的凝?固分?jǐn)?shù)如圖?3-17 d) c) b) a) 圖3-17.為凝固分?jǐn)?shù)?圖，鑄

57、型溫度為?a) 600℃、b) 400℃、c) 200℃、d) 0℃ 由上面圖3?-17中鑄型?溫度分別為?600℃、400℃、200℃和0℃圖可知，鑄型溫度越?低時，冷卻速度越?快，薄板底部和?邊緣部位基?本同時凝固?，而凝固分?jǐn)?shù)?比較小的部?位主要集中?在澆口部位?，這樣在后期?凝固時就可?以得到澆口?部位合金液?的補(bǔ)縮。對應(yīng)的縮松?、縮孔面積理?論上應(yīng)該減?小。但是由于鑄?型溫度越低?，冷卻速度越?快，如果澆口部?位先出現(xiàn)凝?固的話，則主要縮松?、縮孔部位將?出現(xiàn)在薄板?中上部。理想中的冷?卻趨勢是從?底部逐漸凝?固，澆口部位最?后凝固，如果這樣的?話，合金液在凝?固過程中就?能得到補(bǔ)

58、縮?，縮松、縮孔將減少?。鑄型溫度越?高，保溫效果越?好，合金凝固速?度越緩慢，但是會造成?鑄件組織粗?大，力學(xué)性能不?好。從此可以看?出，并不是鑄型?溫度越高越?好，應(yīng)選擇更加?合適的鑄型?溫度。 d) c) b) a) 圖3-18.為應(yīng)力圖，鑄型溫度為?a) 600℃、b) 400℃、c) 200℃、d) 0℃ 由上面圖3?-18中鑄型?溫度分別為?600℃、400℃、200℃和0℃圖可知，鑄型溫度為?600℃時，應(yīng)力主要集?中在薄板正?中部，鑄型溫度為?400℃應(yīng)力集中在?薄板中上部?，鑄型溫度為?200℃時，整個薄板應(yīng)?力比較小而?且比較均勻?，鑄型

59、溫度為?0℃時應(yīng)力基本?分布在薄板?的底部位置?，從此處應(yīng)力?圖可以跟凝?固分?jǐn)?shù)圖聯(lián)?合起來看，彼此是相互?聯(lián)系的。當(dāng)鑄型溫度?為400℃時，從凝固分?jǐn)?shù)?圖中可以很?明顯的看到?澆口部位基?本快要凝固?，而薄板中還?有很大面積?凝固分?jǐn)?shù)比?較小，后期凝固時?得不到合金?液的補(bǔ)縮，就會造成薄?板件中應(yīng)力?比較大。而在應(yīng)力圖?中可以看出?，當(dāng)鑄型溫度?為400℃薄板件靠近?澆口部位呈?現(xiàn)大片藍(lán)色?區(qū)域，而此區(qū)域應(yīng)?力比較大，正好與凝固?分?jǐn)?shù)圖相匹?配。雖然鑄型溫?度為200?℃和0℃時凝固分?jǐn)?shù)?比較小的部?位面積比較?大，但是這些部?位都處于澆?口部位，而澆口部位?尚未凝固，這些區(qū)域在?后期凝固過

60、?程中就會得?到合金液的?補(bǔ)縮，應(yīng)力相對比?較小。 從圖3-19中可以?看出，當(dāng)澆鑄溫度?為1550?℃，鑄型溫度分?別為600?℃、400℃、200℃和0℃時，縮松、縮孔面積都?比較小，而且只有鑄?型溫度為6?00℃時縮松、縮孔部位處?于薄板正中?間，鑄型為其他?三種溫度時?，縮孔、縮孔部位主?要集中于薄?板中上部。鑄型溫度為?0℃時，縮松、縮孔比較分?散，雖然面積不?大，但對薄板件?的整體性能?會有很大影?響。 d) c) b) a) 圖3-19.為縮松、縮孔圖，鑄型溫度為?a) 600℃、b) 400℃、c) 200℃、d)0℃ 最后由圖3?-17、圖3-1

61、8和圖3?-19綜合分?析得出當(dāng)鑄?型溫度為2?00℃比較好。 圖3-20.澆鑄速度為?2.4ms時出?現(xiàn)澆鑄紊流? 3.2.3澆鑄速度?對充型的影?響 本次選取的?工藝參數(shù)為?澆鑄溫度為?1550℃，換熱系數(shù)為?1000 wm2k，鑄型溫度分?別200℃，澆鑄速度為?1.6ms和0?.8ms進(jìn)行?對比分析，從中選取一?個比較好的?澆鑄速度。其中對澆鑄?速度的選取?都比2.4ms小時?因?yàn)樵跐茶T?速度為2.4ms時，澆鑄時明顯?出現(xiàn)紊流如?圖3-20，而澆鑄時出?現(xiàn)紊流這對?鑄件十分有?害，應(yīng)盡力避免?。 c) b) a) 圖3-21.為凝固分?jǐn)?shù)?圖，澆鑄速度

62、a?) 2.4ms、b) 1.6ms、d）0.8ms c) b) a) 圖3-22.為應(yīng)力圖，澆鑄速度a?) 2.4ms、b) 1.6ms、d）0.8ms c) b) a) 圖3-23.為縮松、縮孔圖，澆鑄速度a?) 2.4ms、b) 1.6ms、d）0.8ms 對澆鑄速度?對充型的影?響進(jìn)行分析?，從圖3-21凝固分?數(shù)圖可看出?隨著澆鑄速?度越來越小?，凝固分?jǐn)?shù)小?的區(qū)域越來?越小，并且還越趨?近與澆口部?位，這種趨勢使?得凝固分?jǐn)?shù)?較小區(qū)域在?后期凝固時?等及時得到?澆口部位合?金液的補(bǔ)縮?，縮松、縮孔缺陷得?到減小。由圖3-22應(yīng)力

63、圖?可以看出，澆鑄速度為?2.4ms時應(yīng)?力最小也最?均勻，澆鑄速度為?1.6ms和澆?鑄速度為0?.8ms時應(yīng)?力都比較大?，尤其是當(dāng)澆?鑄速度為0?.8ms時，應(yīng)力最大。由圖3-23縮松、縮孔圖可知?，當(dāng)澆鑄速度?為0.8ms時縮?松、縮孔缺陷最?小，而且處于薄?板頂部。 3.3數(shù)值模擬?確定的充型?影響從而控?制優(yōu)化工藝?參數(shù) 從上面對不?同的澆鑄溫?度、不同的鑄型?溫度和不同?的澆鑄速度?進(jìn)行模擬分?析，發(fā)現(xiàn)并不是?澆鑄溫度越?高越好。理論上澆鑄?溫度越高，合金液流動?性越強(qiáng)，雖然有利于?充型，但澆鑄溫度?太高，會造成粘砂?，縮松、縮孔，熱烈，局部氧化，反應(yīng)氣孔偏?多等危害。溫

64、度過低會?造成澆不足?、夾渣、夾砂等缺陷?。由圖3-16可以清?楚的看出當(dāng)?澆鑄溫度為?1625℃時，明顯縮松、縮孔面積比?較大，與理論相符?合；鑄型溫度越?高，保溫效果越?好，越有利于充?型，但鑄型溫度?過高，會造成組織?粗大，組織韌性、塑性越低，對材料的性?能不利，鑄型溫度過?低，則保溫效果?不好，凝固速度變?快，會造成澆不?足，縮松、縮孔等缺陷?；澆鑄速度越?快，越有利于充?型，但會造成沖?砂，澆鑄時出現(xiàn)?紊流等，澆鑄速度過?慢，造成澆不足?等缺陷?？偠灾?，在保證充型?率的基礎(chǔ)上?，要進(jìn)行澆鑄?工藝參數(shù)優(yōu)?化，選擇合適澆?鑄溫度、澆鑄速度、鑄型溫度等?一系列工藝?參數(shù)，從而節(jié)省能?源，

65、也保證澆鑄?成型的鑄件?性能也比較?好，最終達(dá)到雙?優(yōu)。 3.4模擬后的?薄板組織 由圖3-14、3-17、3-21凝固分?數(shù)圖可以看?出，同一時刻的?凝固分?jǐn)?shù)，薄板下部凝?固分?jǐn)?shù)比較?高，上部凝固分?數(shù)比較低，從側(cè)面可以?反映出，金屬液在凝?固過程中，薄板下部首?先凝固，隨后上部才?凝固，也可以反映?出，下部凝固速?度快，上部凝固速?度慢。圖3-24是薄板?凝固后的薄?板上部組織?在電子顯微?鏡下的組織?圖；圖3-25是薄板?凝固后的薄?板下部組織?在電子顯微?鏡下的組織?圖；圖3-26是薄板?凝固后由下?往上片層間?距圖；圖3-27是薄板?凝固后由下?往上晶粒尺?寸大小圖。 從

66、圖3-24可以看?出，薄板上部組?織比較粗大?，片層間距也?比較大。從圖3-25可以看?出，薄板下部組?織比較細(xì)小?，片層間距也?比較小。組織越粗大?，相應(yīng)的晶粒?越大。晶粒越大，則晶界越大?，而晶界又相?當(dāng)于材料中?的裂紋，晶粒越大時?，單位體積的?晶粒數(shù)越少?，當(dāng)晶界承受?力時，分配到各晶?粒的力就比?較大，晶界就容易?開裂，產(chǎn)生裂紋。所以組織粗?大會使得材?料的強(qiáng)度、塑性及韌性?降低，從而使得材?料的性能不?好。薄板下部組?織比較細(xì)小?，組織越小，鑄件的強(qiáng)度?、硬度越高，塑性、韌性越好。組織越細(xì)小?，晶粒則越小?，單位體積的?晶粒數(shù)越多?，當(dāng)材料收到?一定作用力?時分配到各?晶粒的力就?越小，組織性能就?越好。常用細(xì)化晶?粒也就所謂?的細(xì)晶強(qiáng)化?的方法有： (1) 增加過冷度?。在連續(xù)冷卻?情況下，冷卻速度越?大，則過冷度越?大，而理論上過?冷度越大，鑄件的晶粒?越小。增大冷卻速?度的方法有?：降低熔液的?澆注溫度，選用散熱性?能、導(dǎo)熱能力和?吸熱性較好?的鑄型材料?等措施來達(dá)?到。 (2)