TiB2/A356航空件的熔模铸造与值模拟研究

摘要

颗粒增强铝基复合材料因为具有强度、硬度高，耐磨性和高温稳定性好等优点而在汽车、电子、航空航天以及武器装备等领域拥有着广阔的应用前景，也因此而成为了众多研究者所关注的热点。随着研究工作的开展，颗粒增强铝基复合材料的制备方法、微观组织、机械性能等已得到了较为深入的探讨，其中部分材料已经得到了应用。然而颗粒增强铝基复合材料逐步走向工业化应用的同时也为研究者带来了成形工艺、质量控制等一系列值得探讨的问题。本文以TiB2/A356复合材料的某航空精密零件熔模铸造工艺为研究对象，借助基于ProCAST的数值模拟方法对工艺过程进行设计和优化，以消除铸件缺陷、保证铸件质量。
　　本文首先根据所研究航空零件尺寸精度和表面质量要求高、形状复杂、壁面厚度小等特点，结合常用的熔模铸造工艺手段对TiB2/A356复合材料航空零件熔模铸造工艺的主要工序进行了设计。选择合适的材料制备蜡模与型壳，确定了蜡模与型壳制备过程的技术参数。使用浇注温度720℃、型壳预热温度300℃、浇注时间6s的初始工艺参数获得的铸件上出现较严重的缩松缺陷。
　　其次，根据复合材料的性能混合准则计算了A356-10％TiB2的热物性参数用于熔模铸造数值模拟，并对初始工艺进行优化。数值模拟对初始工艺的缺陷预测结果与铸件实际情况具有较高的一致性。对模拟结果和缺陷情况的分析表明，TiB2颗粒的存在使复合熔体的粘度大幅升高是铸件出现缩松缺陷的重要原因。另外，顺序凝固过程中的温度梯度不足和浇注系统高度过小、静压不足，以及狭窄型腔对熔体的流动阻力大等因素也限制了凝固过程中熔体的补缩流动。优化后的方案增大了浇注系统高度并将局部吹风冷却和保温材料结合使用，使凝固过程中的温度梯度始终保持较高水平。优化后的工艺参数为浇注温度750℃，型壳预热温度400℃，浇注时间18s。
　　最后，利用混合盐反应法制备了A356-10％TiB2复合材料并进行工艺优化后的浇注和试样分析。浇注实验结果表明铸件表面质量良好，各部位没有出现缩松缺陷，优化方案取得了显著效果。试样分析结果表明大部分TiB2颗粒的尺寸在1μm以下，呈棱柱状或粒状，颗粒与基体结合紧密，界面洁净没有明显缺陷。
　　本文所使用的基于ProCAST的数值模拟方法在TiB2/A356航空零件的熔模铸造模拟与工艺优化中取得了较为满意的结果，为ProCAST在熔模铸造CAE中的应用提供了可靠的工程实例。所采用的提高静压、增大温度梯度等方法消除了零件的缩松缺陷，可以为TiB2/A356的铸造工艺设计与质量控制提供一定参考。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 铝基复合材料

1．2．1 铝基复合材料的分类

1．2．2 铝基复合材料在国内外的发展现状

1．3 TiB2／Al复合材料

1．3．1 TiB2／Al复合材料的性能及研究现状

1．3．2 TiBE／Al复合材料的制备方法

1．4 熔模铸造技术

1．4．1 熔模铸造工艺流程

1．4．2 熔模铸造的发展现状

1．5 熔模铸造CAE技术

1．5．1 熔模铸造CAE技术的基本流程及其发展

1．5．2 ProCAST介绍

1．6 本文的研究背景、内容及意义

第二章 TiB2／A356航空件熔模铸造工艺

2．1 蜡模的制备

2．1．1 模料的选择

2．1．2 压型设计

2．1．3 蜡模制备

2．2 型壳的制备

2．2．1 型壳的材料

2．2．2 涂挂与干燥

2．2．3 脱蜡与焙烧

2．3 预热与浇注

2．4 本章小结

第三章 TiB2／A356航空件熔模铸造过程数值模拟

3．1 铸造过程数值模拟的数学模型

3．1．1 金属液充型过程的数学模型

3．1．2 金属液凝固过程的数学模型

3．1．3 缩松与缩孔的预测

3．1．4 结晶潜热的处理

3．2 TiB2／A356热物理性质计算与模型建立

3．2．1 TiB2／A356的热物性计算

3．2．2 数值模拟模型建立

3．3 初始工艺参数模拟与模型验证

3．3．1 充型过程流场与温度场分析

3．3．2 凝固过程分析

3．3．3 缺陷预测与验证

3．4 初始工艺结果分析与优化

3．5 工艺优化后的模拟与分析

3．5．1 充型过程

3．5．2 凝固过程与缺陷预测

3．6 本章小结

第四章 TiB2／A356航空件熔模铸造实验

4．1 TiB2／A356复合材料制备

4．1．1 材料与方法

4．1．2 制备过程

4．2 浇注实验

4．3 浇注结果与分析

4．4 试样观察与分析

4．4．1 实验准备

4．4．2 实验结果与分析

4．5 TiB2／A356复合材料的强化机理

4．5．1 细晶强化

4．5．2 弥散强化

4．5．3 位错强化

4．6 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 主要工作与总结

5．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表论文