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方向相對的澆道壁充型；當熔體到達鑄型時，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，由于離心場的導向作用，鑄件局部位置出現(xiàn)傳熱傳質的活躍區(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、模殼預熱溫度、合金熔體的過熱度、合金熔體

3、的澆注量。模擬結果顯示：在離心半徑和澆注系統(tǒng)一定的條件下，隨著轉速的增加，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，進而引起熔體溫度的起伏，甚至會出現(xiàn)凝固區(qū)域重熔現(xiàn)象，對缺陷的形成產生重大影響。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)設計，與鑄件接觸的內澆道設計成小長徑比的圓柱狀，增加過渡圓角，增設澆注末端，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)值模擬結果的準確性，進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