离心力场下钛合金充型流动及铸造缺陷的研究

摘要

钛合金力学性能优异，但其机加工难度大，在离心力场下，精密铸造成形钛合金薄壁复杂铸件具有十分独特的优势。而深入揭示离心力场下钛合金充型流动规律及铸造缺陷的形成机理，对制备钛合金优质铸件，优化其铸造工艺，降低实验费用，缩短生产周期均具有重要的理论意义和实用价值。
　　故此，本文采用相似模拟和及计算机数值模拟方法，深入系统地研究了离心力场下钛合金充型流动规律及铸造缺陷的形成机理。
　　本文借助相似模拟流体并依据所推导的离心力场下钛合金充型过程的相似准则，研究了离心力场下，不同浇注系统及不同转速条件下模拟流体的充型流动行为，结果显示：在模拟流体在横浇道中正向（即沿离心方向）充型流动过程中，流体总是沿着横浇道后壁进行充型，到达其末端时，流体冲击型壁，在此过程中流体经历了动能和势能之间相互的转化，一次压头转变为二次压头，并导致液体改变流动方向，沿后续浇道以逐层方式平稳的充入铸型，并且在反向（即沿向心方向）充型过程中，流体的自由液面是以转轴为圆心的规则圆弧面，流体只有径向运动而没有切向运动。对于直充式和顶注式，液流直接反向充型，最后充型部位为入口处；
　　分析了模拟流体充型过程中，横浇道中向外流动的流股横截面积和充型长度，与转速之间的相互关系，结果显示：横浇道中流股横截面积随着充型长度的增加而减小；随着转速的提高，在相同位置处，流体横截面面积相应减小。
　　研究了离心力场下，模拟流体充型速度及长度随时间的变化规律，结果显示：充型速度随着时间的增加而减小，充型开始阶段，速度下降的较为迅速，随后逐渐趋于平缓。对于同一类型的浇注系统，随着转速的提高，对应时刻的充型速度相应减小；充型过程中，充型长度随时间增大，充型初期，充型长度的增加迅速，随之增幅趋于平缓。而充型长度随转速的变化规律为：在充型开始阶段，转速对充型长度影响很小，随着充型时间的增加，转速对充型长度影响越来越显著，转速越高，充型长度增幅越小。
　　此外，本文还推导了离心力场条件下，模拟流体中夹杂物运动的相似准则，并借此分析了离心力场下模拟流体中夹杂物的运动规律，研究表明：密度大于液态金属的夹杂物，将弥散分布在流体中形成两相流，将沿径向向外运动。
　　计算机数值模拟，对纯钛/氧化锆陶瓷铸型界面反应所引起的反应性气孔进行了研究，结果表明：钛熔体与氧化锆陶瓷铸型界面处由界面化学反应引起的发气量变化规律为：初始发气较快，为增幅较大的线性增加阶段，后期发气较慢为增幅较小的抛物线增加阶段；随着液态金属浇注温度的提高，当浇注温度为1800℃时，铸型的预热温度对反应发气量的影响较小，而浇注温度对发气量的影响显著。

目录

离心力场下钛合金充型流动及铸造缺陷的研究

STUDY ON MOLD FILLING AND DEFFECT OF CASTING OF TITANIUM ALLOYS UNDER CENTRIFUGAL FORCE FIELD

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 研究的目的和意义

1.2 钛合金研究进展

1.3 离心铸造国内外研究现状

1.4 物理模拟液态金属充型流动规律的国内外研究现状

1.5 铸造缺陷研究现状

1.5.1 铸造中气孔的国内外研究现状

1.5.2 铸件中夹杂行为国内外研究现状

1.6 本课题研究的主要内容

第二章 离心力场下充型过程相似准则的推导

2.1 引言

2.2 力学相似

2.2.1 几何相似

2.2.2 运动相似

2.2.3 动力相似

2.3 离心力场下的相似准则

2.3.1 离心力场下液态金属质点的受力分析

2.3.2 离心力场下充型流动的相似准则

2.3.3 离心力场下金属液内杂物运动的相似准则

2.4 本章小结

第三章 离心力场下钛合金充型流动水模拟研究

3.1 引言

3.2 模拟流体制备

3.3 实验设备及试验方法

3.4 实验结果与分析

3.4.1 模拟流体充型过程

3.4.2 充型过程中模拟流体自由液面的形状

3.4.3 转速对横浇道中流股横截面的影响

3.4.4 转速对模拟流体充型速度的影响

3.4.5 转速对模拟流体充型量的影响

3.5 本章小结

第四章 离心力场下液态金属夹杂运动规律的研究

4.1 引言

4.2 水平方向的向心运动

4.3 水平运动的向外运动

4.4 实验验证

4.5 本章小结

第五章 反应性气孔的数值模拟

5.1 引言

5.2 反应性气孔形成的物理模型

5.3 反应性气孔的数学模型

5.3.1 温度场的综合数学模型

5.3.2 浓度场的综合数学模型

5.4 模拟结果及分析

5.4.1 浇注温度对反应性气孔发气量的影响

5.4.2 预热温度对反应性气孔发气量的影响

5.5 本章小结

结论

参考文献

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致谢