TiB2-A356復合材料航空零件的熔模鑄造數(shù)值模擬研究.pdf

1、顆粒強金屬基復合材料，具有高強度、高硬度、高耐磨性和耐高溫等性能，能用鑄造方法直接成型復雜構(gòu)件，因此該材料在航空航天、光學儀器、汽車和船舶等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。由于增強體顆粒的作用使其基體材料性質(zhì)發(fā)生了很大的變化，其相關(guān)的熱物性參數(shù)也發(fā)生相應(yīng)的變化;另一方面由于對其個熱物理性能參數(shù)研究有限，致使顆粒強化鋁基復合材料的數(shù)值模擬工作受到一定的限制，進而對其應(yīng)用也產(chǎn)生影響?；诖耍疚难芯炕w材料為A356、原位自生增強相為TiB2顆粒的

2、鋁硅合金基復合材料的熔模鑄造工藝，結(jié)合ProCAST的材料數(shù)據(jù)庫二次開發(fā)技術(shù)，獲得TiB2體積分數(shù)為10％的TiB2/A356復合材料的熱物理性能參數(shù)隨溫度變化的關(guān)系，以某薄壁精密航空零件為例進行熔模鑄造數(shù)值模擬研究和澆注實驗，以解決該零件鑄造過程中出現(xiàn)的縮松、縮孔缺陷為目的，為TiB2/A356Al復合材料的鑄造應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。主要的研究結(jié)果如下:
　　 1.根據(jù)復合材料性能混合準則并對TiB2/A356復合材料的

3、熱物性加以修正，研究了顆粒增強相對復合材料熱物性參數(shù)的影響，使用基于熱物性參數(shù)的ProCAST材料數(shù)據(jù)庫二次開發(fā)技術(shù)得到該復合材料的導熱系數(shù)、密度、粘度、固相率、熱熵等隨溫度變化的關(guān)系。與基體材料A356的熱物性參數(shù)相比，復合材料的密度、粘度和固相率升高，而導熱系數(shù)和熱熵降低。
　　 2.為驗證獲得的TiB2/A356復合材料的熱物性參數(shù)的可靠性，并為該航空零件的工藝改進提供參考和依據(jù)，使用ProCAST軟件對該航空零件進行熔模

4、鑄造模擬，在初始設(shè)計工藝參數(shù)為澆注溫度為680℃、模具預(yù)熱溫度為200℃、澆注時間為3.2s的情況下，模擬結(jié)果表明:澆注系統(tǒng)設(shè)計合理，鑄件及冷卻系統(tǒng)的中間部位冷卻、凝固所用時間最長，鑄件縮松、縮孔缺陷主要集中在該零件的表面、壁厚較薄部位。相同工藝參數(shù)的熔模鑄造實驗證明:鑄件的縮松、縮孔缺陷分布情況和數(shù)值模擬結(jié)果總體上具有一致性，基于熱物性參數(shù)的材料數(shù)據(jù)庫二次開發(fā)技術(shù)獲得的TiB2/A356復合材料的熱物性參數(shù)可以滿足實際數(shù)值模擬要求;<

5、br>　　 3.對鑄造工藝加以改進，將澆注溫度設(shè)置為750℃、模具預(yù)熱溫度設(shè)置為400℃、澆注時間設(shè)置為3.2s，并在澆道和冒口周圍加保溫材料，數(shù)值模擬結(jié)果表明:鑄件及澆注系統(tǒng)實現(xiàn)了自下而上的冷卻、凝固;縮松、縮孔缺陷全都分布在澆道、冒口處，零件沒有出現(xiàn)縮松、縮孔缺陷。熔模鑄造實驗也證明:采用改進工藝參數(shù)澆注獲得的該航空零件的確沒有出現(xiàn)縮松、縮孔缺陷;
　　 4.采用混合鹽原位反應(yīng)工藝制取TiB2/A356復合材料，對改進工藝

6、參數(shù)所澆注的鑄件試樣進行電鏡實驗:由EDS實驗說明了復合材料中含有Ti和B元素;通過微觀組織分析發(fā)現(xiàn)，TiB2顆粒與共晶Si相互交織且出現(xiàn)在α-Al晶界處，分布相對均勻，但出現(xiàn)了一定的團聚現(xiàn)象;TiB2呈柱狀或顆粒狀，除個別的TiB2顆粒的尺寸達到500nm外，顆粒尺寸都小于300nm，基體和增強相間結(jié)合部位無明顯缺陷。
　　 本文通過數(shù)值模擬和熔模鑄造實驗證明:由基于熱物性參數(shù)的ProCAST材料數(shù)據(jù)庫二次開發(fā)技術(shù)獲得的復合材