数值计算Procast在铸造过程中的应用.docx

高Nb-TiAl合金 重力与离心铸造在低压涡轮叶片上数值模拟及实验验证概述：用Procast软件来模拟低压下涡轮叶片Nb-TiAl合金的重心与离心铸造。现今的叶片组成是由真空感应熔炼炉在Ar气保护下生产。实验验证表明模拟的结果与实验结果有很好的一致性。对比结果告诉我们离心铸件的表面比重力铸造更完整。在重力铸造过程中，熔融的金属最后填入最薄的尾边，导致滞流的缺陷。进一步说，在重力铸造下，収缩孔和裂纹缺陷会更多而且还更分散。相比下，离心铸件的内部与外部质量比重力铸件要好很多。重力铸造的叶片从边缘到中心的微观结构没有明显的变化。而离心铸造的叶片的微观结构比重力铸造更为出色，然而大量的树状γ出现在离心铸造中，这是由于离心铸造件表面的快速冷却速率过快导致。介绍为了获得高的强度，出色的高温性能和好的抗氧化性能，TiAl基的金属合金是潜在的高温结构材料在航空航天和汽车应用，例如低压涡轮叶片、涡轮增压器以及排气阀。高含量的Nb添加提高了服役温度、强度以及抗氧化性能。然而，高含量Nb与TiAl合金在室温下延展性很差，导致低的接卸性能，这限制了工业生产。熔模铸造可以生产优秀的铸件带着一点点机械性能，所以是生产TiAl合金的优先方法。然而，铸造的Ti-Al合金有危害特性像大的凝固收缩，高的化学活性和低的延展性，导致滞流，孔隙度和裂纹缺陷。为了得到高质量的铸件，选择合适的铸造流程和技术参数。考虑到效率和成本，传统的试错法不再适合现今的工业发展，不仅由于高额的成本还有较长实验的时间。数值模拟技术相比比常规实验和错误的方法，在铸造缺陷例如收缩和裂纹上表现出较好的优越性。本次工作，用数值模拟方法来研究高Nb-TiAl合金的叶片铸件的熔模铸造，包括重力和离心工艺过程。真实的实验被用来验证模拟结果和分析铸件中出现的缺陷。对比与学习这两种过程的微观结构。实验方法2.1铸造模拟的数学模型流动的金属液被假定为不可被压缩的牛顿流体，在浇筑和凝固中的控制方程给定如下：Navier-stokes方程：连续方程：热传递方程：ρ是密度；u、v、w是速度向量；t是时间；μ是液态金属动态粘度；gx、gy、gz是分别在x、y、z重力加速度向量；P是压力；Cp是液态金属的比热；λ是导热系数；L是潜伏热；fs是在凝固阶段的固相比。2.2模型的评估与参数设定模拟真实的涡轮蜡模在Fig 1a中，单独叶片虚拟的三维模型以及铸造系统由PRO-E设计，图像如b和c。涡轮叶片三维尺寸如图10*4*2cm，最薄的边缘只有0.5 cm。有限元软件，Procast用于模拟蜡模铸造的浇注和凝固过程。由Pandat软件计算出的合金和模具材料的热物理学参数列于表1。重力铸造工艺参数通过早期正交试验来优化，例如，铸造温度1700℃，浇注速度0.5m/s，模具预加热至500℃，传热系数为500W/m2*K。离心转速由Kohctahthhob JIC根据重力条件公式计算得：n是离心旋转速率（r/min）；r是铸造模具的内径(mm)；G是重力系数，值通常为40-110。根据Eq，离心旋转速率是400-600r/min。在模拟和实验中采用的真实值是中间值500r/min。2.3真实的铸造实验真实铸件材料的组分为Ti-45 Al-8 Nb-1.5 (Cr B Si)at%。陶瓷模具主要由由ZrO2构成，厚度约8-10mm。真实浇注实验在Ar气保护下2Kg真空悬浮感应炉进行。陶瓷模具的壳和炉见 Fig 2。在离心铸造前，预加热模具见Fig 2a 被固定在位于熔炉腔室底部的离心旋转轮上。为了保证熔融合金的均与性与浇注温度，在完全融化后磁悬浮熔炼还得继续工作5min。然后打开离心旋转轮，倾斜坩埚讲熔融的合金浇注到陶瓷模具中。最后，打碎型壳获得冷却后的铸件。采用MXR-451/26 X-ray探伤仪来观测涡轮叶片内部收缩的孔，在真实叶片表面上裂纹缺陷可以用荧光分析方法检测。微观结构通过55场发射SEM利用BSE模式来观察。SEM-BSM的样品在叶片边缘至中心区域内取得，规格8*8*8cm。结果与讨论3.1模拟过程与真实铸造Fig 3展示了重力与离心铸造模拟过程以及叶片铸件。重力铸造模拟结果见Fig 3a-c表明熔融金属沿着叶片进吸口侧流动。在到达叶片尖端后，熔融的金属回流至叶片正面。金属流体在浇注后的1S就填满了整个型腔。由于离心力的影响，正相反，熔融金属先沿着压力边流动，见Fig 3d-f。型腔在0.9S内便可以注满，这比重力铸造快1S。Fig 4展示了真实的重力和离心铸造叶片的过程。各自的，浇注不满的缺陷成对地在重力铸件叶片边缘可见。而离心铸造出的叶片的侧面更完整。叶片最薄的尾部边缘，由熔融金属最后以重力作用填充，导致了浇不足的产生。相反的，熔融金属注入最薄的边缘以离心铸造过程，归功于离心力的影响，它更有利于获得完整的叶片。