鈦合金復雜鑄件立式離心鑄造過程充填流動及凝固規(guī)律.pdf

1、鑄件的大型化、整體化、薄壁化和近無余量化是高質量鑄造生產面臨的主要問題,引領著航空航天結構鑄件的發(fā)展方向。大力開發(fā)更加適合于薄壁復雜鑄件的鑄造技術是實現鑄件輕量化乃至鑄造精確化、低成本化和短周期化的有效途徑。立式離心鑄造技術利用高速旋轉產生的離心慣性力來提高合金的充型能力,可以實現大尺寸、復雜、薄壁鈦合金鑄件的近凈成形。因此,復雜鑄件立式離心鑄造規(guī)律的研究對于獲得高性能的鈦合金復雜鑄件至關重要。
　　本文首先對鑄件復雜性的定量化描

2、述進行了深入的研究,提出了鑄件的結構復雜性和鑄件的成形復雜性兩個概念。其中,鑄件的結構復雜性考慮了鑄件的幾何結構特征,而鑄件的成形復雜性考慮了鑄件的充填流動性能。根據鑄件的結構復雜性的定義,從理論上分析了鑄件的結構復雜程度的性質;針對具有不同結構復雜程度的鑄件,對其成形復雜性進行了相應的研究。確定了影響鑄件成形復雜性的因素,并以典型鑄件為例,基于模糊綜合評價的方法(熵權法)對鑄件的成形復雜程度進行了分類研究。研究結果表明,可以采用模糊數

3、學的方法定量評價鑄件的復雜程度等級,航空發(fā)動機用鈦合金機匣件為復雜鑄件。
　　立式離心鑄造過程中鈦合金熔體充填筒形型腔的結果表明,立式離心場下鈦合金熔體首先以一定的厚度在鑄件的大半徑端充填鑄型,直至熔體充填至鑄件的最高處后鈦合金熔體從鑄件的大半徑處向著小半徑處依次逐層充填圓筒形型腔。當鑄件壁厚小于2.8mm時,無論鑄型轉速高低,鈦合金熔體都是自下而上逐層充填型腔。隨著鑄型轉速的提高,鈦合金熔體充填鑄型的速度增加。高轉速下,鈦合金熔

4、體在筒形鑄型中更容易自遠半徑向著鑄件的旋轉中心逐層充填型腔。熔體充填筒形鑄件第一層的厚度隨著熔體溫度的升高和鑄型轉速的增加而變小。在此基礎上,以鈦合金復雜鑄件為研究對象,采用數值模擬的方法得到了立式離心鑄造過程中鈦合金熔體在復雜型腔中的充填規(guī)律,并根據其充型流動特征提出了對現有的底注式立式離心鑄造澆注系統(tǒng)的優(yōu)化方案。
　　采用凝固過程組織模擬技術,對不同工藝條件的立式離心鑄造鈦合金復雜鑄件凝固組織進行了模擬。數值模擬和實際澆注鑄件

5、的結果表明:立式離心鑄造鈦合金復雜構件的薄壁區(qū)為細小的等軸晶,厚壁區(qū)表層為薄而極細的等軸晶,中部為較粗大的等軸晶。隨鑄型溫度的升高,晶粒度逐漸變大;適量提高鑄型轉速有利于凝固組織細化、均勻化;澆注溫度的改變對鑄件組織狀態(tài)或是晶粒度大小基本沒有影響。鑄件的晶粒尺寸和α/β片層間距的厚度隨著與旋轉中心距離的增加而減小。減小的幅度隨著鑄件不同部位壁厚的減小而變慢。
　　采用物理模擬和數值模擬相結合的方法對立式離心鑄造鈦合金鑄件中的氣孔缺

6、陷規(guī)律進行了研究。結果表明:當鑄型是順時針旋轉旋轉或者逆時針旋轉時,鈦合金熔體中形成的氣泡最終都是貼近與旋轉方向相反的壁面以近似直線的方式向著鑄型的旋轉中心運動。鈦合金熔體與氣泡間的表面張力在氣泡的運動過程能保持氣泡的形貌,使得氣泡不易破碎。隨著鑄型轉速的提高,氣體從氣泡發(fā)生室逸出時的尺寸逐漸變小。隨著鑄型轉速的提高,氣泡運動的氣泡偏移距離增加。相同鑄型轉速下,氣泡的初始位置越靠近與鑄型旋轉方向相反同的壁面,則氣泡越容易以近直線的方式運