钛合金立式离心精密铸造凝固组织数值模拟

摘要

钛合金具有比强度高、抗高温蠕变性好等优异的综合性能，因而一直是航天航空、军事工业关键的支撑材料之一。钛合金铸件多采用立式离心铸造生产，因此，准确地掌握立式离心场下液态金属流动、传热及组织形成规律对获得高性能的钛合金铸件至关重要。
　　本文采用宏微观相结合的元胞自动机方法CA法，对Ti6Al4V合金立式离心铸造凝固过程中凝固组织形成进行了数值模拟。
　　首先，根据合金熔体质点在立式离心场下受力过程的特殊性，建立了立式离心场下熔体流动及凝固过程数学模型和计算方法。
　　基于所提出的模型和计算方法，在流场、温度场计算基础之上，研究了凝固过程中各种工艺参数，如铸型转速、熔体过热度、铸型预热温度对凝固组织形成的影响。对立式离心场下钛合金组织模拟研究发现：立式离心场下铸件凝固组织主要以等轴晶形式存在，且钛合金铸件晶粒尺寸随转速的增加而降低；熔体过热度较低时，对凝固组织影响较小，随过热度的增大，过热度对凝固组织产生明显的影响，使组织粗化，粗大等轴晶区尺寸增大；铸型预热温度对凝固组织影响不大，随着预热温度增加，获得的凝固组织无明显变化。
　　设计了立式离心铸造条件下组织模拟的试验铸件，并以Ti6Al4V合金在立式离心机上进行了实际浇注了试验。离心机转速分别为0、160和280(rpm)。获得了重力(0rpm)和离心条件下的组织的形成规律，并将模拟结果和试验结果进行了对比，结果表明数值模拟结果与试验结果基本吻合。

目录

钛合金立式离心精密铸造凝固组织 数值模拟

NUMERICAL SIMULATION OF SOLIDIFICATION STRUCTURE OF Ti ALLOY DURING VERTICAL CENTRIFUGAL CASTING

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 选题意义

1.2 铸件凝固过程微观组织模拟国内外研究发展概况

1.2.1 确定性方法

1.2.2 概率性方法

1.2.3 相场方法

1.3 立式离心铸造凝固组织数值模拟现存的问题

1.4 本文研究的主要内容

第2章 CA法离心场凝固组织模拟数学模型的建立

2.1 引言

2.2 离心场下流场数学模型

2.2.1 立式离心场下熔体质点的受力分析

2.2.2 离心场下流场数学模型的建立

2.2.3 流场变量空间和时间的离散

2.2.4 N-S方程和质量守恒方程的离散

2.2.5 SOLA-VOF计算方法

2.3 离心场下温度场数学模型

2.3.1 能量守恒方程数学模型的建立

2.3.2 能量守恒方程的离散

2.3.3 凝固潜热的处理

2.3.4 初始条件和边界条件的确定

2.4 CA法模拟微观动力学模型

2.4.1 形核模型

2.4.2 枝晶尖端生长动力学模型

2.5 凝固过程中晶粒组织形成的CA模拟方法

2.6 本章小结

第3章 钛合金立式离心铸造组织演变规律的研究

3.1 引言

3.2 数值模拟参数选择

3.3 铸型转速对凝固组织形成过程的影响

3.3.1 转速对流场的影响

3.3.2 转速对温度场的影响

3.3.3 转速对组织的影响

3.4 熔体过热对组织形成的影响

3.5 铸型预热温度对组织形成的影响

3.6 本章小结

第4章 立式离心场下凝固组织模拟模型实验验证

4.1 引言

4.2 实验过程

4.2.1 配料计算

4.2.2 实验装置及实验方法

4.3 实验结果及分析

4.4 模拟结果与实验结果的对照

4.5 本章小结

结论

参考文献

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致谢