K4169高温合金薄壁铸件调压精密铸造工艺研究

摘要

随着航空发动机技术的快速发展，航空发动机用各种高温合金复杂薄壁结构件的需求日益增加。更大、更薄、更轻成为主导先进航空发动机结构件设计的重要理念。与之相适应，对高温合金铸件的结构、性能的要求也越来越高，制造难度不断加大。传统的重力铸造方法在浇注大面积薄壁铸件时，由于熔体充填过程中拉普拉斯力的作用，经常出现浇不足、疏松和冷隔缺陷。而反重力铸造工艺在可以很好的解决复杂薄壁铸件的完整充型，提高铸件质量。基于反重力调压铸造方法的特点，本文主要探索了调压铸造应用于高温合金复杂薄壁铸件成型的可行性，利用数值模拟及实验的方法对K4169高温合金薄壁铸件调压铸造过程及凝固组织演变规律进行了系统研究。利用数值模拟的方法研究了采用调压铸造方法的薄壁特征铸件的充型、凝固规律。在数值模拟的基础上进行了特征件调压铸造实验，研究了高温合金薄壁特征件微观组织演变规律，探究了调压铸造工艺参数对于特征铸件铸造质量的影响规律。在特征件铸造过程研究的基础上，提出了航空发动机用高温合金涡轮后机匣支板构件的调压铸造工艺方案，对其铸造过程、缩松、缩孔缺陷分布、微观组织分布等进行了数值模拟分析，指出调压铸造方法的优势，得到了以下主要结论：
　　（1）通过数值模拟方法研究了采用调压铸造方法的薄壁特征铸件的充型、凝固过程，研究了升压速度、结晶保压压力等调压铸造工艺参数对K4169合金调压精铸过程中的充型及凝固过程的影响。探索了尺寸100×100×1mm的薄板特征铸件完整充型的工艺参数：浇注温度1560℃、型壳预热温度955℃、升压速度大于5kPa/s。结果表明：升压速度的提升有助于提升液态金属的充型能力，结晶保压压力的施加可明显增强液态金属的补缩能力，减少铸件中缩松、缩孔缺陷出现的几率。
　　（2）参考数值模拟实验中的工艺参数，进行了薄板铸件的调压铸造实验。通过与重力铸造方法的对比，指出调压铸造方法在充型能力方面具有明显的优势。薄板铸件组织沿金属液流动方向分别为柱状晶组织、粗大等轴晶组织、细小等轴晶组织。其晶粒度随升压速度、壁厚上升而增大，随结晶压力上升减小；其二次枝晶间距随升压速度、结晶保压压力的上升而减小，随壁厚的上升而增大；铸件硬度随升压速度、结晶压力上升呈增大趋势，随壁厚上升呈减小趋势。实验结果与数值模拟结果体现出较好的一致性。
　　（3）利用正交实验设计方法设计、优化了高温合金支板件调压铸造工艺方案：浇注温度1610℃、型壳冷却方式为无保温棉下10min冷却、升压速度7kPa/s。通过对支板铸件宏观偏析及微观组织分布情况的数值模拟研究发现，通过调压精密铸造的方法可获得成分、组织均匀的铸件。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1 高温合金概述

1.2 高温合金的熔模精密铸造

1.3 复杂薄壁铸件概述

1.4 调压铸造概述.

1.5 铸造过程的数值模拟

1.6 课题的研究内容

第二章 实验方法

2.1 数值模拟实验方法

2.2 高温合金调压铸造装置

2.3 高温合金调压精密铸造实验方法

第三章 K4169高温合金特征件调压工艺数值模拟研究

3.1 特征件数值模拟模型与边界条件的确定

3.2 调压精铸工艺参数设定

3.3 模拟结果分析

3.4 缺陷分析及工艺优化研究

3.5 工艺参数对于缩松、缩孔缺陷分布的影响

3.6 特征件元素宏观偏析数值模拟分析

3.7 特征件微观组织模拟模拟分析

3.8 本章小结

第四章 K4169高温合金特征件调压工艺实验研究

4.1 调压精密铸造实验方案

4.2 工艺参数对于铸件充型情况的影响

4.3 铸件金相组织分析

4.4 调压铸造工艺对铸件组织的影响

4.5铸造工艺对铸件二次枝晶间距的影响

4.6 铸造工艺对铸件硬度的影响

4.7 本章小结

第五章 涡轮后机匣支板的调压精密铸造模拟

5.1 支板件模型及数值模拟模拟边界条件的确定

5.2 工艺参数的正交试验设计

5.3 铸造过程模拟结果分析

5.4 正交试验结果分析

5.5 结晶压力对铸件凝固缺陷的影响

5.6 支板件元素宏观偏析数值模拟分析

5.7 特征件微观组织数值模拟分析

5.8 本章小结

第六章 全文总结和研究展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文及专利

声明