热等静压机均匀快冷系统设计和仿真分析

摘要

热等静压（Hot Isostatic Pressing，简称HIP）是一种先进的烧结工艺，在密闭的压力容器中，以高压氩气（或氮气）为介质，对其中的粉末或待烧结的坯料（或零件）施加各向均匀等静压力，形成高致密度坯料（或零件）的方法。热等静压的常用工作温度1000～1800℃、工作压力100～200MPa。热等静压技术广泛应用于航空、航天、船舶、兵器、核工业等军工领域。如，飞机、航天器、大型运载火箭、导弹、雷达等关键零件的制造。
　　热等静压技术经历了半个多世纪的发展，持续不断创造着奇迹，从试验室技术研究到现在渗透到各行各业。在西方发达国家，热等静压处理技术是航空发动机的钛合金、高温合金零部件强制性的工艺措施，以提高产品致密度，消除材料缺陷等。随着热等静压技术的不断发展，热等静压机朝着大规格方向发展，缩短处理周期，降低处理成本。热等静压机的均匀快速冷却（URC）技术，可以大幅度缩短HIP处理时间。热等静压机降温时间通常可以缩短80％至95%。目前，HIP处理费用大约是20年前的60%左右，推动了热等静压技术的应用和发展。
　　根据我国热等静压技术的发展需求，结合典型热等静压机技术指标，主要以航空航天领域的高温合金铸件致密化处理和高温粉末—近净成型为应用目标。确定RDJ1250/2000-200.1400型热等静压机为研究目标，URC速率大于30℃/min。这也是国际上高温合金致密化处理的典型设备，装备URC系统的数量较多，便于试验数据比较。
　　本文基于 Flowmaster软件的热流体系统仿真分析功能，根据技术指标、热等静压机均匀冷却原理结构和三维模型，建立数学模型（包括静态和动态模型），推导出计算公式。通过数学模型描述冷却过程，为冷却系统设计提供理论依据，并满足工程应用要求。通过仿真分析和实物验证修正数学模型，提高数学模型的计算精度。
　　本文通过Solid Edge V19三维CAD软件建立热等静压机URC三维模型，以STAR-CCM+软件作为主要研究工具，建立了热等静压炉的非稳态数值仿真模型，从理论上分析了温度场和流场，研究了不同加热功率下炉内流动换热规律。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 热等静压技术和应用

1.2热等静压机技术现状

1.3自然对流和辐射传热概述

1.4论文的主要研究内容

第二章 热等静压机URC系统设计

2.1 确定热等静压机技术指标

2.2热等静压机URC系统

2.3 热等静压机URC计算仿真

2.4本章小结

第三章 热等静压机的一维流体仿真分析

3.1 仿真软件需求分析

3.2一维流体网络法介绍

3.3 FLOWMASTER解决方案

3.4系统模型调试

3.5 本章小结

第四章 热等静压机三维数值仿真分析

4.1数值模拟分析

4.2 URC系统仿真分析结果

4.3本章小结

第五章 全文总结与展望

5.1全文总结

5.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果