真空吸鑄TiAl基合金亞快速凝固行為的研究畢業(yè)論文

(此文檔為word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TiAl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(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 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(jí)優(yōu)秀學(xué)士學(xué)位論文評(píng)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(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“”）作者簽名： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 年 月 日 目錄摘要1第一章 緒論31.1課題的目的及意義31.2 TiAl基合金的研究現(xiàn)狀31.2.1 TiAl基合金的研究進(jìn)展31.2.2 TiAl基合金的組織特點(diǎn)41.2.3 TiAl基合金的應(yīng)用51.3 TiAl基合金的成型技術(shù)51.3.1粉末冶金51.3.2鑄造冶金51.3.3鍛造成型61.3.4真空吸鑄71.4精密鑄造小型薄壁TiAl合金件的應(yīng)用前景71.5鑄造過程中的數(shù)值模擬81.6主要研究?jī)?nèi)容8第二章 研究方法及參數(shù)設(shè)置92.1真空吸鑄過程分析92.2實(shí)驗(yàn)材料及模擬參數(shù)選取92.2.1實(shí)驗(yàn)材料選取92.2.2模擬參數(shù)選取102.3研究方案11第三章真空吸鑄TiAl基合金熔體充型規(guī)律123.1數(shù)值模擬流程123.1.1造型133.1.2網(wǎng)格劃分143.2 物性參數(shù)計(jì)算143.2工藝參數(shù)對(duì)充型影響的數(shù)值模擬2032.1澆鑄溫度對(duì)充型的影響203.2.2鑄型溫度對(duì)充型的影響233.2.3澆鑄速度對(duì)充型的影響253.3數(shù)值模擬確定的充型影響從而控制優(yōu)化工藝參數(shù)273.4模擬后的薄板組織28致謝32參考文獻(xiàn)3339第 39 頁 共 34 頁真空吸鑄TiAl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(dòng)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(dòng)機(jī)和火箭動(dòng)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，可行性加工困難等，從而限制了TiAl 合金的應(yīng)用。隨著時(shí)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(cè)工作人員在鑄造成型時(shí)鑄件可能產(chǎn)生的缺陷、缺陷產(chǎn)生的時(shí)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ProCAST軟件對(duì)TiAl合金進(jìn)行鑄造模擬，并對(duì)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(duì)不同的澆鑄溫度，澆鑄速度和鑄型溫度進(jìn)行模擬，并對(duì)模擬后的凝固分?jǐn)?shù)，應(yīng)力，縮松、縮孔進(jìn)行分析。對(duì)澆鑄溫度分別為1550、1575、1600、1625進(jìn)行模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)澆鑄溫度1550時(shí)，鑄件縮松、縮孔缺陷最??；對(duì)鑄型溫度分別為600、400、200和0進(jìn)行模擬分析，最后發(fā)現(xiàn)鑄型溫度為200時(shí)總體性能最好；對(duì)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(shí)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(shí)澆鑄最好。關(guān)鍵詞：TiAl合金；鑄造成型；ProCAST模擬；數(shù)據(jù)分析【Abstract】：The advantage of gamma TiAl-based alloys inlow density, specific modulus, specific resistance makes them becameone of a new generation of aircraft engine androcket propulsion. But the reason of thedisadvantages ofroom temperaturebrittleness,poor ductility,feasibility of processing difficulties,which limits the application ofTiAl alloy. With the development of the society,computer technology graduallyapplied to thefield of casting, Formingnumerical simulation can simulationstaffin the casting process of the casting defects,the possible time,and predicte the defects in the parts of the casting,so as to optimize thecasting process,ensure the casting quality,reduce the cost of production. This task mainlyuse the ProCASTsoftwareto simulation TiAl alloycasting process,and analysis of the simulationdata,thus to optimize theprocess parameters. The different of castingtemperature, casting speed and mold temperature were simulated, and after simulation, analysis the stress of solidification,shrinkage and shrinkage. 1550, 1575, 1600 and 1625 of the casting temperature is simulated respectively, The results showed that when the casting temperature was 1550, the shrinkage porosity and shrinkage porosity of the casting were minimum.;The mold temperature was 600, 400, 200 and 0are simulated and analyzed, The best overall performance finally found is mold temperature at 200; The casting speed of 0.8ms, 1.6ms and 2.4ms were simulated and analyzed, Finally found the shrinkage and shrinkage defects of the minimum is casting speed of 0.8ms. The final conclusion is that when the mold temperature is 200, the casting temperature is 1550 and the casting speed is 0.8ms, the casting is best.Keywords: TiAl alloy ；casting molding ；ProCAST simulation ；analysis第一章 緒論1.1課題的目的及意義-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(dòng)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。隨著航天航空事業(yè)和造船業(yè)的迅猛的發(fā)展，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的要求愈來愈高，而尤其是發(fā)動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)葉片的首選材料之一，但是由于TiAl基合金的室溫塑性差，加工成型能力不足，使得TiAl基合金的發(fā)展受到阻礙，所以TiAl基合金材料的制備是一個(gè)非常的核心問題。因?yàn)門iAl基合金熔體自身粘度大、流動(dòng)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TiAl基合金成型尤其艱難，于是很多研究工作者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TiAl基合金自身熔體流動(dòng)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TiAl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(duì)TiAl 基排氣閥離心鑄造技術(shù)的研究中，K. Liu4提出，TiAl基合金的合金液的溫度越高，則澆鑄時(shí)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(guó)學(xué)者A. Choudhury 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(duì)于TiAl基合金在航空航天等領(lǐng)域的使用，尤其在發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的使用更注重于薄壁鑄件，而對(duì)于TiAl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TiAl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TiAl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TiAl基合金受到國(guó)內(nèi)外廣大學(xué)者的關(guān)注，并把TiAl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(guó)內(nèi)外廣大科研工作者的注意。早在1950年，就有美國(guó)科學(xué)家對(duì)TiAl基合金的性能進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)TiAl基合金的溫室塑性太差，而放棄研究。15年后，美國(guó)學(xué)家M.Blackburn 教授對(duì)TiAl進(jìn)行了深層次的研究，最后發(fā)現(xiàn)Ti-48Al-1V-0.3C擁有最佳性能，即第一代TiAl基合金。直至80年代末，美國(guó)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TiAl基合金。國(guó)內(nèi)在TiAl合金的研究起步比較晚，沒有歐美起步早。中國(guó)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TiAl將會(huì)具有特別好的防氧化效果，到2000年西北有色金屬研究所發(fā)現(xiàn)Al元素的波動(dòng)對(duì)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TiAl合金的高溫長(zhǎng)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)-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，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2兩相區(qū)進(jìn)行熱處理，經(jīng)爐冷或空冷就可以得到2片層團(tuán)和小量分布于層片團(tuán)間的等軸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T-60，+ 兩相區(qū)進(jìn)行熱處理，經(jīng)爐冷或空冷可以獲得2片層團(tuán)，最終獲得等軸晶粒和2層片團(tuán)組織。近組織(NG)，在剛高于共析溫度的+兩相區(qū)進(jìn)行熱處理，得到基本都是由等軸晶粒所組成的組織，通常含有少量的細(xì)小相顆粒在晶界9。由于TiAl室溫塑性低一直是阻礙其發(fā)展的主要因素，為了使TiAl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TiAl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TiAl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(zhǎng)度，進(jìn)而減小滑移面的位錯(cuò)長(zhǎng)度和位錯(cuò)堆積，但會(huì)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(cuò)的發(fā)生，而析出雜質(zhì)第二象則會(huì)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(duì)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TiAl的實(shí)際應(yīng)用，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(dòng)機(jī)部件迫切需求減重材料，于是TiAl基合金騰空出世， 廣泛被采用。由于TiAl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(dòng)機(jī)，制作一些發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)性能。另外，又由于TiAl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600750之間具有良好的抗蠕變性能，部分可以用來取代鎳基合金。1.3 TiAl基合金的成型技術(shù)目前TiAl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)勂涑尚头椒ǖ膬?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TiAl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(shí)，首先得制備出純度、粒度符合要求的TiAl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TiAl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TiAl合金的成分、顆粒大小、燒結(jié)時(shí)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(shí)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(shí)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TiAl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還是處于蓬勃的良好的發(fā)展勢(shì)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(duì)于難以鍛造和難以加工的合金材料來說，熔模鑄造是一個(gè)非常好的選擇，而且鑄造精度高，可以進(jìn)行精鑄。但由于TiAl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(shí)鑄件表面容易產(chǎn)生污染層，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(huì)省很多成本。于是離心鑄造技術(shù)在這樣的潮流的推動(dòng)下得到了廣泛的應(yīng)用。由于離心鑄造時(shí)鑄型的旋轉(zhuǎn)速度很快，充型時(shí)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(duì)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、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(duì)TiAl基合金進(jìn)行鍛造時(shí)，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TiAl基合金適用于等溫鍛造，即將鍛坯與磨具加熱到等溫時(shí)進(jìn)行鍛造。這樣就能在變形溫度較慢時(shí)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)TiAl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TiAl基合金的金屬液流動(dòng)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(shí)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(shí)，由于金屬液與型腔接觸，使得流動(dòng)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TiAl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(guó)家就對(duì)TiAl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(jí)大國(guó)的美國(guó)，對(duì)TiAl合金的研究更早。由于TiAl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TiAl基合金大量使用在航空航天和發(fā)動(dòng)機(jī)制造等行業(yè)，成為飛機(jī)發(fā)動(dòng)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TiAl基合金的室溫脆性低，使得TiAl基合金的薄壁鑄件的鑄造更為艱難，因此，精密鑄造TiAl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(shí)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(cè)實(shí)際過程中工作人員在鑄造成型時(shí)鑄件可能產(chǎn)生的缺陷、產(chǎn)生的時(shí)間、缺陷的大小及缺陷的部位，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(chǎng)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?jī)?nèi)容真空吸鑄是鑄造TiAl基合金的一種新工藝技術(shù)，其主要優(yōu)點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：（1）由于TiAl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TiAl基合金液體的流動(dòng)性比較差，在熔模鑄造時(shí)需要給液體很高的溫度才能保證充型完整，而在真空吸鑄時(shí)，不需要太高的溫度就可以充型完整。本課題主要是利用procast軟件對(duì)小薄壁型TiAl基合金鑄件進(jìn)行鑄造成型數(shù)值模擬，觀察模擬整個(gè)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(dòng)力增加，而TiAl合金金屬液活性大，流動(dòng)性差，冷卻速度快，而真空吸鑄可以增加充型動(dòng)力，于是該工藝可以澆鑄小型薄壁件TiAl合金件。因?yàn)樾颓惶幱谡婵諚l件下，里面無空氣，所以金屬液在澆鑄時(shí)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(duì)澆鑄工藝進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)金屬液溫度過低時(shí)，薄壁件凝固速度過快，容易產(chǎn)生澆不足等缺陷；當(dāng)金屬液過高時(shí)，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(shí)，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(shí)，澆鑄時(shí)金屬液射流寬度較小，容易沖破型腔液面，擾動(dòng)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(shí)，鑄型保溫效果好，但澆鑄時(shí)金屬液容易沖砂；當(dāng)鑄型溫度太低時(shí)，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(duì)TiAl基合金的亞快速凝固行為，所以鑄件主要材料為TiAl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(dòng)機(jī)制作中成為一個(gè)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(dòng)機(jī)的應(yīng)用需要仔細(xì)評(píng)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，合金化是一個(gè)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)12%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(shí)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(dòng)機(jī)部件服務(wù)。但是對(duì)于鑄件，可用于修改組織的手段是非常有限的。所以在TiAl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20mm60mm2mm的薄板件，鑄型為高度為80mm直徑為24mm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Ti45.5%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(duì)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1000-2000），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不變，變換其他一個(gè)參數(shù)，選取最好個(gè)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(gè)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procast來進(jìn)行TiAl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(duì)模擬后的處理，主要通過模擬全過程中的動(dòng)畫來考察鑄造過程中的凝固分?jǐn)?shù)、溫度場(chǎng)及縮松、縮孔的位置和大小。利用凝固分?jǐn)?shù)及凝固時(shí)間來考察TiAl基合金在真空吸鑄過程中的凝固特性。本課題中的最終凝固溫度為600，因?yàn)?00時(shí)TiAl早以完全凝固，設(shè)置凝固最終溫度為600時(shí)可以縮短模擬時(shí)間，而凝固時(shí)間是指合金溶液從澆鑄溫度冷卻到600時(shí)所用的時(shí)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(duì)縮松、縮孔的影響。第三章真空吸鑄TiAl基合金熔體充型規(guī)律圖3-1procast模擬流程圖3.1數(shù)值模擬流程Procast軟件模擬的流程如圖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proe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igs格式(2) 將裝配圖的igs格式導(dǎo)入meshcast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(duì)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ProCAST進(jìn)行模擬。(4) 模擬完成后進(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20mm60mm2mm的薄板件，鑄型為高度為80mm直徑為24mm的圓柱體，其中內(nèi)部去除了跟鑄件一模一樣尺寸的長(zhǎng)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procast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)格劃分不好后面將無法進(jìn)行。面網(wǎng)格劃分時(shí)特別注意是否重合面，對(duì)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(shí)就會(huì)出現(xiàn)比較多的交叉網(wǎng)格。另外網(wǎng)格步長(zhǎng)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(shí)間就越長(zhǎng)；網(wǎng)格步長(zhǎng)越大，網(wǎng)格數(shù)越少，模擬精度越小，模擬時(shí)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(zhǎng)設(shè)大一點(diǎn)，這樣就可以縮短模擬時(shí)間。3.2 物性參數(shù)計(jì)算ProCAST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。材料的熱物性參數(shù)直接決定著溫度場(chǎng)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(chǎng)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1444時(shí)，凝固分?jǐn)?shù)為1，也可以看出Ti45.5%Al8%Nb材料的固相線為1444。當(dāng)溫度為1503時(shí)，從圖中可以看出凝固分?jǐn)?shù)為0，也可以看出Ti45.5%Al8%Nb的液相線溫度為1503。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)度和抗氧化性能，目前尚不清楚，Nb含量達(dá)到多少時(shí)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(dòng)機(jī)部件服務(wù)。但是對(duì)于鑄件，可用于修改組織的手段是非常有限的。所以在TiAl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Ti45.5%Al8%Nb與不加Nb的Ti45.5%Al合金的性能進(jìn)行比較由圖2-1為Ti45.5%Al8%Nb合金的凝固分?jǐn)?shù)與溫度之間的關(guān)系與圖3-5為Ti45.5%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%Al合金的液相線溫度低，在澆鑄Ti45.5%Al8%Nb合金時(shí)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(shí)Ti45.5%Al8%Nb合金的過冷度大，金屬液流動(dòng)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Ti45.5%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Ti45.5%Al8%Nb合金的焓值高，并且Ti45.5%Al合金的焓值隨溫度的增長(zhǎng)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Ti45.5%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Ti45.5%Al8%Nb合金的密度與溫度之間的關(guān)系與圖3-9為Ti45.5%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Ti45.5%Al合金的密度大，造成這中情況產(chǎn)生的原因是加了Nb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Ti45.5%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Ti45.5%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(shí)Ti45.5%Al合金的導(dǎo)熱系數(shù)明顯要比Ti45.5%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)與溫度之間的關(guān)系由圖3-12為Ti45.5%Al8%Nb合金的粘度與溫度之間的關(guān)系與圖3-13為Ti45.5%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Ti45.5%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TiAl基合金整體性能比不加Nb的TiAl基合金性能要好。3.2工藝參數(shù)對(duì)充型影響的數(shù)值模擬32.1澆鑄溫度對(duì)充型的影響澆鑄溫度對(duì)鑄造成型的影響非常大，澆鑄溫度越高，合金流動(dòng)性越好，便于充型。為了探究澆鑄溫度對(duì)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1000wm2k，鑄型溫度初步選取600。澆鑄溫度選取1550、1575、1600、1625進(jìn)行數(shù)值模擬。以下對(duì)模擬后的可視化結(jié)果進(jìn)行分析。首先對(duì)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)圖可知，澆鑄溫度越低時(shí)，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(shí)，很明顯，澆口部位計(jì)較寬，薄板在后期凝固時(shí)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1625時(shí)，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、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(huì)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1550、1575、1600、1625應(yīng)力圖可知，澆鑄溫度為1550時(shí)，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(shí)，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?jǐn)?shù)比較小的面積明顯較前兩種大，尤其是澆鑄溫度為1625時(shí)，中部還有一大片凝固分?jǐn)?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(huì)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(duì)比卡可知，此處應(yīng)力更大。d)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1550、1575、1600、1625縮松、縮孔圖可知：當(dāng)澆注溫度為1550時(shí)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(shí)，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(shí)，縮松、縮孔位置主要集中在中下部；當(dāng)澆鑄溫度為1625時(shí)，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?jǐn)?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(shí)，比較好。3.2.2鑄型溫度對(duì)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(duì)比分析，從中選取一個(gè)比較好的鑄型溫度。模擬后的凝固分?jǐn)?shù)如圖3-17d)c)b)a) 圖3-17.為凝固分?jǐn)?shù)圖，鑄型溫度為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(shí)，冷卻速度越快，薄板底部和邊緣部位基本同時(shí)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(shí)就可以得到澆口部位合金液的補(bǔ)縮。對(duì)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(shì)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)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(huì)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(shí)，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(shí)，整個(gè)薄板應(yīng)力比較小而且比較均勻，鑄型溫度為0時(shí)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(shí)，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(shí)得不到合金液的補(bǔ)縮，就會(huì)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(shí)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)域在后期凝固過程中就會(huì)得到合金液的補(bǔ)縮，應(yīng)力相對(duì)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(shí)，縮松、縮孔面積都比較小，而且只有鑄型溫度為600時(shí)縮松、縮孔部位處于薄板正中間，鑄型為其他三種溫度時(shí)，縮孔、縮孔部位主要集中于薄板中上部。鑄型溫度為0時(shí)，縮松、縮孔比較分散，雖然面積不大，但對(duì)薄板件的整體性能會(huì)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3-18和圖3-19綜合分析得出當(dāng)鑄型溫度為200比較好。 圖3-20.澆鑄速度為2.4ms時(shí)出現(xiàn)澆鑄紊流3.2.3澆鑄速度對(duì)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(duì)比分析，從中選取一個(gè)比較好的澆鑄速度。其中對(duì)澆鑄速度的選取都比2.4ms小時(shí)因?yàn)樵跐茶T速度為2.4ms時(shí)，澆鑄時(shí)明顯出現(xiàn)紊流如圖3-20，而澆鑄時(shí)出現(xiàn)紊流這對(duì)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a) 2.4ms、b) 1.6ms、d）0.8msc)b)a) 圖3-22.為應(yīng)力圖，澆鑄速度a) 2.4ms、b) 1.6ms、d）0.8msc)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(duì)澆鑄速度對(duì)充型的影響進(jìn)行分析，從圖3-21凝固分?jǐn)?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(shì)使得凝固分?jǐn)?shù)較小區(qū)域在后期凝固時(shí)等及時(shí)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)力圖可以看出，澆鑄速度為2.4ms時(shí)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(shí)應(yīng)力都比較大，尤其是當(dāng)澆鑄速度為0.8ms時(shí)，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(shí)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(duì)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(dòng)性越強(qiáng)，雖然有利于充型，但澆鑄溫度太高，會(huì)造成粘砂，縮松、縮孔，熱烈，局部氧化，反應(yīng)氣孔偏多等危害。溫度過低會(huì)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(shí)，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(huì)造成組織粗大，組織韌性、塑性越低，對(duì)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(huì)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(huì)造成沖砂，澆鑄時(shí)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，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?jǐn)?shù)圖可以看出，同一時(shí)刻的凝固分?jǐn)?shù)，薄板下部凝固分?jǐn)?shù)比較高，上部凝固分?jǐn)?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(shí)，單位體積的晶粒數(shù)越少，當(dāng)晶界承受力時(shí)，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(huì)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(shí)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)