钛合金复杂铸件立式离心铸造过程充填流动及凝固规律

摘要

铸件的大型化、整体化、薄壁化和近无余量化是高质量铸造生产面临的主要问题,引领着航空航天结构铸件的发展方向。大力开发更加适合于薄壁复杂铸件的铸造技术是实现铸件轻量化乃至铸造精确化、低成本化和短周期化的有效途径。立式离心铸造技术利用高速旋转产生的离心惯性力来提高合金的充型能力,可以实现大尺寸、复杂、薄壁钛合金铸件的近净成形。因此,复杂铸件立式离心铸造规律的研究对于获得高性能的钛合金复杂铸件至关重要。
　　本文首先对铸件复杂性的定量化描述进行了深入的研究,提出了铸件的结构复杂性和铸件的成形复杂性两个概念。其中,铸件的结构复杂性考虑了铸件的几何结构特征,而铸件的成形复杂性考虑了铸件的充填流动性能。根据铸件的结构复杂性的定义,从理论上分析了铸件的结构复杂程度的性质;针对具有不同结构复杂程度的铸件,对其成形复杂性进行了相应的研究。确定了影响铸件成形复杂性的因素,并以典型铸件为例,基于模糊综合评价的方法(熵权法)对铸件的成形复杂程度进行了分类研究。研究结果表明,可以采用模糊数学的方法定量评价铸件的复杂程度等级,航空发动机用钛合金机匣件为复杂铸件。
　　立式离心铸造过程中钛合金熔体充填筒形型腔的结果表明,立式离心场下钛合金熔体首先以一定的厚度在铸件的大半径端充填铸型,直至熔体充填至铸件的最高处后钛合金熔体从铸件的大半径处向着小半径处依次逐层充填圆筒形型腔。当铸件壁厚小于2.8mm时,无论铸型转速高低,钛合金熔体都是自下而上逐层充填型腔。随着铸型转速的提高,钛合金熔体充填铸型的速度增加。高转速下,钛合金熔体在筒形铸型中更容易自远半径向着铸件的旋转中心逐层充填型腔。熔体充填筒形铸件第一层的厚度随着熔体温度的升高和铸型转速的增加而变小。在此基础上,以钛合金复杂铸件为研究对象,采用数值模拟的方法得到了立式离心铸造过程中钛合金熔体在复杂型腔中的充填规律,并根据其充型流动特征提出了对现有的底注式立式离心铸造浇注系统的优化方案。
　　采用凝固过程组织模拟技术,对不同工艺条件的立式离心铸造钛合金复杂铸件凝固组织进行了模拟。数值模拟和实际浇注铸件的结果表明:立式离心铸造钛合金复杂构件的薄壁区为细小的等轴晶,厚壁区表层为薄而极细的等轴晶,中部为较粗大的等轴晶。随铸型温度的升高,晶粒度逐渐变大;适量提高铸型转速有利于凝固组织细化、均匀化;浇注温度的改变对铸件组织状态或是晶粒度大小基本没有影响。铸件的晶粒尺寸和α/β片层间距的厚度随着与旋转中心距离的增加而减小。减小的幅度随着铸件不同部位壁厚的减小而变慢。
　　采用物理模拟和数值模拟相结合的方法对立式离心铸造钛合金铸件中的气孔缺陷规律进行了研究。结果表明:当铸型是顺时针旋转旋转或者逆时针旋转时,钛合金熔体中形成的气泡最终都是贴近与旋转方向相反的壁面以近似直线的方式向着铸型的旋转中心运动。钛合金熔体与气泡间的表面张力在气泡的运动过程能保持气泡的形貌,使得气泡不易破碎。随着铸型转速的提高,气体从气泡发生室逸出时的尺寸逐渐变小。随着铸型转速的提高,气泡运动的气泡偏移距离增加。相同铸型转速下,气泡的初始位置越靠近与铸型旋转方向相反同的壁面,则气泡越容易以近直线的方式运动。
　　立式离心铸件宏观偏析的研究表明,立式离心铸件的宏观偏析与铸件的壁厚、铸型的离心转速以及铸件的径向尺寸有着重要的关系。随着铸型离心转速的提高,铸件的宏观偏析严重。另外,相同的铸型转速下,铸件的壁厚越大则其宏观偏析的趋势变大。立式离心铸造过程中,合金熔体初生相中合金元素的含量对于立式离心铸件宏观偏析起着决定性的作用,而与元素的密度大小无直接关系。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

Contents

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的与意义

1.2 薄壁复杂铸件的特征及成形技术

1.3 立式离心铸造技术的研究现状

1.4 本文的主要研究内容

第2章 铸件复杂性的定量化表征

2.1 引言

2.2 铸件的结构复杂性

2.3 铸件的成形复杂性

2.4 基于模糊综合评价的铸件复杂性研究

2.5 钛合金铸件的复杂性

2.6 本章小结

第3章 立式离心铸造钛合金复杂铸件的充型规律

3.1 引言

3.2 立式离心铸造钛合金熔体充型的数学模型

3.3 立式离心铸造钛合金筒形铸件的充填流动

3.4 钛合金复杂铸件立式离心铸造的充型流动

3.5 本章小结

第4章 立式离心铸造钛合金复杂铸件的凝固组织

4.1 引言

4.2 钛合金复杂铸件立式离心铸造实验

4.3 钛合金复杂铸件凝固组织的数值模拟

4.4 本章小结

第5章 钛合金复杂铸件的立式离心铸造缺陷

5.1 引言

5.2 钛合金熔体中的气体来源

5.3 立式离心铸造合金熔体中气泡运动的数值模拟

5.4 立式离心场下气泡运动的物理模拟

5.5 立式离心铸件的宏观偏析规律

5.6 立式离心铸造钛合金复杂铸件的宏观偏析

5.7 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢