真空吸鑄TiAl基合金亞快速凝固行為的研究畢業(yè)論文

《真空吸鑄TiAl基合金亞快速凝固行為的研究畢業(yè)論文》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《真空吸鑄TiAl基合金亞快速凝固行為的研究畢業(yè)論文（43頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、(此文檔為word格式，下載后您可任意編輯修改！) 畢業(yè)設(shè)計（論文）題目 真空吸鑄TiAl基合金亞快速凝固行為的研究 （1）論文原創(chuàng)性聲明和版權(quán)使用授權(quán)書 學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名： 年 月 日 學位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學位論文作者完全了解學校有關(guān)保障、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向有關(guān)學位論文管理部門或機構(gòu)送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)省級優(yōu)秀學士學位論

2、文評選機構(gòu)將本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。本學位論文屬于1、保密 ，在_年解密后適用本授權(quán)書。2、不保密 。（請在以上相應方框內(nèi)打“”）作者簽名： 年 月 日 導師簽名： 年 月 日 目錄摘要1第一章 緒論31.1課題的目的及意義31.2 TiAl基合金的研究現(xiàn)狀31.2.1 TiAl基合金的研究進展31.2.2 TiAl基合金的組織特點41.2.3 TiAl基合金的應用51.3 TiAl基合金的成型技術(shù)51.3.1粉末冶金51.3.2鑄造冶金51.3.3鍛造成型61.3.4真空吸鑄71.4精密鑄造小型薄壁TiAl合金

3、件的應用前景71.5鑄造過程中的數(shù)值模擬81.6主要研究內(nèi)容8第二章 研究方法及參數(shù)設(shè)置92.1真空吸鑄過程分析92.2實驗材料及模擬參數(shù)選取92.2.1實驗材料選取92.2.2模擬參數(shù)選取102.3研究方案11第三章真空吸鑄TiAl基合金熔體充型規(guī)律123.1數(shù)值模擬流程123.1.1造型133.1.2網(wǎng)格劃分143.2 物性參數(shù)計算143.2工藝參數(shù)對充型影響的數(shù)值模擬2032.1澆鑄溫度對充型的影響203.2.2鑄型溫度對充型的影響233.2.3澆鑄速度對充型的影響253.3數(shù)值模擬確定的充型影響從而控制優(yōu)化工藝參數(shù)273.4模擬后的薄板組織28致謝32參考文獻3339第 39 頁 共

4、34 頁真空吸鑄TiAl基合金亞快速凝固行為研究學 生：熊凌云指導老師：葉喜蔥三峽大學機械與動力學院【摘要】：TiAl合金具有的優(yōu)點有密度低、彈性模量高、高溫強度高、抗蠕變性能高好、高溫抗氧化性能強，是飛機發(fā)動機和火箭動力系統(tǒng)所用的新一代高溫結(jié)構(gòu)材料中的候選材料之一。但由于其缺點有室溫脆性較大，延展性差，可行性加工困難等，從而限制了TiAl 合金的應用。隨著時代的發(fā)展，計算機技術(shù)逐步應用于鑄造領(lǐng)域，鑄造成型數(shù)值模擬技術(shù)可以預測工作人員在鑄造成型時鑄件可能產(chǎn)生的缺陷、缺陷產(chǎn)生的時間、缺陷的大小及缺陷的部位，從而優(yōu)化鑄造成型工藝，確保鑄件質(zhì)量，進而降低生產(chǎn)成本。本課題主要使用ProCAST軟件對T

5、iAl合金進行鑄造模擬，并對模擬后的數(shù)據(jù)進行分析，從而來優(yōu)化工藝參數(shù)。對不同的澆鑄溫度，澆鑄速度和鑄型溫度進行模擬，并對模擬后的凝固分數(shù)，應力，縮松、縮孔進行分析。對澆鑄溫度分別為1550、1575、1600、1625進行模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)澆鑄溫度1550時，鑄件縮松、縮孔缺陷最小；對鑄型溫度分別為600、400、200和0進行模擬分析，最后發(fā)現(xiàn)鑄型溫度為200時總體性能最好；對澆鑄速度分別為2.4ms、1.6ms和0.8ms進行模擬分析，最后發(fā)現(xiàn)0.8ms時縮松、縮孔缺陷最小。最后結(jié)論是當澆鑄溫度為1550、鑄型溫度為200、澆鑄速度為0.8ms時澆鑄最好。關(guān)鍵詞：TiAl合金；鑄造成型；Pro

6、CAST模擬；數(shù)據(jù)分析【Abstract】：The advantage of gamma TiAl-based alloys inlow density, specific modulus, specific resistance makes them becameone of a new generation of aircraft engine androcket propulsion. But the reason of thedisadvantages ofroom temperaturebrittleness,poor ductility,feasibility of process

7、ing difficulties,which limits the application ofTiAl alloy. With the development of the society,computer technology graduallyapplied to thefield of casting, Formingnumerical simulation can simulationstaffin the casting process of the casting defects,the possible time,and predicte the defects in the

8、parts of the casting,so as to optimize thecasting process,ensure the casting quality,reduce the cost of production. This task mainlyuse the ProCASTsoftwareto simulation TiAl alloycasting process,and analysis of the simulationdata,thus to optimize theprocess parameters. The different of castingtemper

9、ature, casting speed and mold temperature were simulated, and after simulation, analysis the stress of solidification,shrinkage and shrinkage. 1550, 1575, 1600 and 1625 of the casting temperature is simulated respectively, The results showed that when the casting temperature was 1550, the shrinkage

10、porosity and shrinkage porosity of the casting were minimum.;The mold temperature was 600, 400, 200 and 0are simulated and analyzed, The best overall performance finally found is mold temperature at 200; The casting speed of 0.8ms, 1.6ms and 2.4ms were simulated and analyzed, Finally found the shrin

11、kage and shrinkage defects of the minimum is casting speed of 0.8ms. The final conclusion is that when the mold temperature is 200, the casting temperature is 1550 and the casting speed is 0.8ms, the casting is best.Keywords: TiAl alloy ；casting molding ；ProCAST simulation ；analysis第一章 緒論1.1課題的目的及意義

12、-TiAl合金具優(yōu)點有密度低、彈性模量高、高溫強度高、抗蠕變性能、高溫抗氧化性能，是飛機發(fā)動機和火箭推進系統(tǒng)所用的新一代高溫結(jié)構(gòu)材料中的候選材料之一1-3。但由于其缺點有室溫脆性較大，延展性差，可行性加工困難，從而限制了TiAl 合金的應用。隨著航天航空事業(yè)和造船業(yè)的迅猛的發(fā)展，對于發(fā)動機的要求愈來愈高，而尤其是發(fā)動機的推重比跟不上是阻礙這些行業(yè)發(fā)展的最核心的問題，想提高發(fā)動機的性能，最主要是提高葉片的性能，而TiAl合金的密度低等這些優(yōu)點，使得其成為發(fā)動機葉片的首選材料之一，但是由于TiAl基合金的室溫塑性差，加工成型能力不足，使得TiAl基合金的發(fā)展受到阻礙，所以TiAl基合金材料的制備是

13、一個非常的核心問題。因為TiAl基合金熔體自身粘度大、流動性差、且在高溫條件下輕易和其他物質(zhì)發(fā)生化學反應的這些缺點，使得TiAl基合金成型尤其艱難，于是很多研究工作者嘗試不同的成型方法，目前運用到TiAl基合金成型的方法有很多。如粉末冶金、離心鑄造、熔模鑄造、機械和進化等等成型方法。然而由于TiAl基合金自身熔體流動性差、高溫易于其他物質(zhì)產(chǎn)生化學反應、粘度大等特征，使得TiAl基合金熔體本身鑄造性能差，鑄造出來的組織往往組織粗大、偏析嚴重，所以要想獲得良好的鑄件，尤其是薄壁鑄件更為艱難。在對TiAl 基排氣閥離心鑄造技術(shù)的研究中，K. Liu4提出，TiAl基合金的合金液的溫度越高，則澆鑄時金

14、屬液過熱度越高，則充填率越好，當合金的過熱度達到 180，鑄件充型尤為良好。德國學者A. Choudhury 和及M. Blum 研究發(fā)現(xiàn)5，鑄型加熱到 1000才可以防止鑄件中縮孔缺陷的發(fā)生。而當前對于TiAl基合金在航空航天等領(lǐng)域的使用，尤其在發(fā)動機領(lǐng)域的使用更注重于薄壁鑄件，而對于TiAl基合金的薄壁鑄件鑄造又由為困難，所以本課題采用另一種成型方法即真空吸住的亞快速凝固行為的研究，想突破傳統(tǒng)的鑄造成型困難的問題，從而獲得良好的TiAl基合金的薄壁鑄件。而本課題采用真空吸鑄的方法，可以很好的彌補其他成型的缺陷1.2 TiAl基合金的研究現(xiàn)狀1.2.1 TiAl基合金的研究進展由于TiAl合

15、金具有的優(yōu)點有：合金密度低、彈性模量高、高溫強度高、高溫抗氧化性能高等許多突出的優(yōu)點，使得TiAl基合金受到國內(nèi)外廣大學者的關(guān)注，并把TiAl基合金作為下一代新型輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)材料。早在上世紀80年代以來，TiAl基合金就引起了國內(nèi)外廣大科研工作者的注意。早在1950年，就有美國科學家對TiAl基合金的性能進行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)TiAl基合金的溫室塑性太差，而放棄研究。15年后，美國學家M.Blackburn 教授對TiAl進行了深層次的研究，最后發(fā)現(xiàn)Ti-48Al-1V-0.3C擁有最佳性能，即第一代TiAl基合金。直至80年代末，美國科學家又開發(fā)了二代TiAl合金，并經(jīng)過多次試驗，證明了二代T

16、iAl合金具有優(yōu)良的綜合性能。接著后來，TiAl基合金不斷的被人類研究開發(fā)，其強大的優(yōu)良性能也不斷的展現(xiàn)出來，引起了很多學者的不斷研究的興趣，也促進了航空航天也、造船業(yè)、醫(yī)療器具制造業(yè)的發(fā)展，逐步出現(xiàn)三代、四代TiAl基合金。國內(nèi)在TiAl合金的研究起步比較晚，沒有歐美起步早。中國科學院金屬腐蝕與防護研究所唐兆麟等6.7 在1997年通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，在一定條件下通過添加Cr元素TiAl將會具有特別好的防氧化效果，到2000年西北有色金屬研究所發(fā)現(xiàn)Al元素的波動對其高溫氧化行為具有影響。到2007年，北京科技大學張寧等通過實驗發(fā)現(xiàn)適當添加Y元素可以提高高鈮TiAl合金的高溫長期抗氧化性，還可以

17、起到細晶強化的作用，使外層晶粒細小從而形成致密的氧化膜，阻止進一步氧化。1.2.2 TiAl基合金的組織特點-TiAl合金具優(yōu)點有密度低、彈性模量高、高溫強度高、高溫抗氧化性能、抗蠕變性能，TiAl 基金屬間化合物較 Ti3Al 及 Ti 合金有顯著的優(yōu)越高溫性能8，TiAl基合金的合金成分、晶粒大小、加工方法決定其室溫拉伸性能。一般來說，經(jīng)過熱處理TiAl基合金可以獲得四種組織：全片層組織、近片層組織、雙態(tài)組織、近組織。全片層組織一般組織比較粗大，室溫延展性和強度較低，降低組織尺寸可以改善。近片層組織(NL)，在剛低于T溫度不遠的2兩相區(qū)進行熱處理，經(jīng)爐冷或空冷就可以得到2片層團和小量分布于

18、層片團間的等軸晶粒組成的近全片層組織。雙態(tài)組織(DP)，在兩相體積分數(shù)大約相稱的溫度，約T-60，+ 兩相區(qū)進行熱處理，經(jīng)爐冷或空冷可以獲得2片層團，最終獲得等軸晶粒和2層片團組織。近組織(NG)，在剛高于共析溫度的+兩相區(qū)進行熱處理，得到基本都是由等軸晶粒所組成的組織，通常含有少量的細小相顆粒在晶界9。由于TiAl室溫塑性低一直是阻礙其發(fā)展的主要因素，為了使TiAl得到良好的應用，必須解決其室溫塑性低的問題，然而可以通過改變TiAl的組織進而來改變TiAl的溫室塑性，經(jīng)過科研人員的大量實驗表明，控制TiAl的微觀組織可以提高TiAl的溫室塑性，目前改善微觀組織的方法主要有五種：（1）完善制備

19、工藝，設(shè)計合理的制造工藝。（2）合金化及微合金化。（3）降低環(huán)境脆性。(4)在基體中參加塑性纖維或加入塑性粒子。（5）改進微觀組織可以采用雙相顯微組織，而雙態(tài)組織擁有良好的室溫塑性，但斷裂韌性和抗蠕變性能較差；還可以通過細化晶粒尺寸減小滑移帶長度，進而減小滑移面的位錯長度和位錯堆積，但會造成滑移面交截處和晶界的應力集中，容易形成裂紋；還可以通過控制晶界雜質(zhì)析出和控制板條間距，由于晶界雜質(zhì)第二象可以阻礙位錯的發(fā)生，而析出雜質(zhì)第二象則會導致晶界脆性，所以需要控制其析出的量。1.2.3 TiAl基合金的應用隨著人們對TiAl合金的不斷研發(fā)與探究，TiAl合金的潛在價值逐漸被人們所關(guān)注，應用范圍也不斷

20、的被拓寬，研發(fā)的科研人員目光更注重TiAl的實際應用，TiAl基合金密度低，作為減重材料，來代替鎳基合金，更優(yōu)于鎳基合金。而航空和發(fā)動機部件迫切需求減重材料，于是TiAl基合金騰空出世， 廣泛被采用。由于TiAl合金的密度比較小，可以用與空行航天這些急需減重的高科技行業(yè)，還可以用來制造汽車的發(fā)動機，制作一些發(fā)動機的部件，例如，用來制造汽車的排氣閥，從而使得汽車的排氣閥質(zhì)量減輕，進而減少噪音，改進發(fā)動機性能。另外，又由于TiAl基合金的比模量高，可以制作隔板、渦輪葉等一下需要高強度的結(jié)構(gòu)件上。TiAl還有優(yōu)點如：該合金在600750之間具有良好的抗蠕變性能，部分可以用來取代鎳基合金。1.3 Ti

21、Al基合金的成型技術(shù)目前TiAl的成型方法主要有鍛造、粉末冶金和鑄造的方法，下面分別來談?wù)勂涑尚头椒ǖ膬?yōu)缺點1.3.1粉末冶金TiAl基合金塑性差，加工極為困難，利用粉末冶金可以得到成型的TiAl基合金零件，得到的組織也比鑄錠冶金的組織細小、均勻。當我們選用粉末冶金技術(shù)時，首先得制備出純度、粒度符合要求的TiAl合金粉末，并且再經(jīng)過模壓、擠壓、燒結(jié)等技術(shù)處理手段才能是TiAl合金成行，而在粉末冶金成行方法得到的成品致密程度是限制粉末冶金使用的主要因素，致密度往往與TiAl合金的成分、顆粒大小、燒結(jié)時間、燒結(jié)溫度及加熱速度有關(guān)。原顆粒越小，則致密度越高，加熱速度越快則不利于提高成品致密度。在粉末

22、冶金時間隙雜質(zhì)以及致密度問題制約了該方法的應用，但通過純化粉末的方法使得該方法得到改善和提高。粉末冶金易于制造形狀比較復雜的零件而且可以節(jié)省大量的原材料，降低成本。其缺點是在燒結(jié)的時候容易造成體積膨脹，導致成品致密度不高，合金組織均勻性差。但近年來開發(fā)了幾種具有良好發(fā)展前景的TiAl合金粉末凈形加工技術(shù)，還有J. Moll認為，粉末冶金技術(shù)可以減小偏析和加工周期。所以粉末冶金總體來說還是處于蓬勃的良好的發(fā)展勢頭。1.3.2鑄造冶金 目前應用于TiAl基合金的鑄造成型方法主要有熔模鑄造、離心鑄造、反重力低壓鑄造。熔模鑄造成本比較低，并且熔模鑄造可以得到尺寸精確、表面光滑的鑄件，最主要的特征是可以

23、得到尺寸精度高、表面粗糙度小的鑄件，熔模鑄造還可以鑄造形狀復雜的鑄件，熔模鑄造還不受材料的限制，對于難以鍛造和難以加工的合金材料來說，熔模鑄造是一個非常好的選擇，而且鑄造精度高，可以進行精鑄。但由于TiAl在高溫下具有很高的活性，可以與耐熱的材料反應，這樣就使得在熔模鑄造時鑄件表面容易產(chǎn)生污染層，如此影響鑄件的外觀質(zhì)量，也影響鑄件的內(nèi)在性能。隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，鑄造技術(shù)受到廣泛資本家的歡迎，如果能夠直接鑄造出來精密的工件，則不需要二次加工，這樣將會省很多成本。于是離心鑄造技術(shù)在這樣的潮流的推動下得到了廣泛的應用。由于離心鑄造時鑄型的旋轉(zhuǎn)速度很快，充型時金屬液在強大的離心力的作用下而充滿型腔，并

24、凝固，使得合金液的充型能力更強，鑄造出來的鑄件更加致密。離心鑄造與重力鑄造相比，鑄件更致密、充型能力更強。由于離心力的作用，離心鑄造還可以對縮松縮孔、充型不足、氣孔、夾雜等缺陷進行改善。但是也由于離心力的作用使得氣體、熔渣等雜物集聚在鑄件表面，使得鑄件質(zhì)量較差，需要進行再加工，也使得鑄件容易偏析。1.3.3鍛造成型對TiAl基合金進行鍛造時，鍛造負荷比較大，鍛造溫度很窄，微觀組織不均勻，局部容易過熱，鍛件表面容易產(chǎn)生裂紋。所以常常鍛造出來的零件可塑性比較差，難以鍛出比較復雜的零件，材料利用率比較低。TiAl基合金變形抗力受變形速度和變形溫度的影響較大，所以鍛造TiAl基合金適用于等溫鍛造，即將

25、鍛坯與磨具加熱到等溫時進行鍛造。這樣就能在變形溫度較慢時進行鍛造成型。如圖1-1等溫鍛造下的壓氣機葉片。圖1-1 等溫鍛造壓氣機葉片1.3.4真空吸鑄 金屬型底注式真空吸鑄是一種鑄造 TiAl 基合金材料新工藝技術(shù)如圖1-2，可以很好地彌補TiAl其他鑄造成型方法中的缺陷，其優(yōu)點有以下幾點：（1）由于合金液體在上下壓差下凝固，可以減小縮松縮孔等缺陷。（2）由于TiAl基合金的金屬液流動性差，在熔模鑄造中需要很高的過熱度才能充型好，而在真空吸鑄中不需要太高的過熱度就可以很好地充型。（3）TiAl基合金高溫時活性強，很容易被氧化，而真空吸鑄是在真空條件下進行，防止合金液在凝固過程中被氧化。（4）金

26、屬液在澆鑄時，由于金屬液與型腔接觸，使得流動速度減慢，凝固速度變快，使得充型能力下降，容易造成澆不足、流痕等缺陷，但真空吸鑄是在重力和上下壓差的作用下，使得充型能力得到提高，保證充型完整。圖1-2真空吸鑄示意圖1.4精密鑄造小型薄壁TiAl合金件的應用前景早在很多年前世界上那些發(fā)達國家就對TiAl基合金在航空航天行業(yè)進行了深入研究，尤其作為世界超級大國的美國，對TiAl合金的研究更早。由于TiAl基合金的彈性模量高，密度低，高溫強度高，高溫抗氧化性能高，高溫抗蠕變性能好等優(yōu)良性能，使得TiAl基合金大量使用在航空航天和發(fā)動機制造等行業(yè)，成為飛機發(fā)動機和火箭推進系統(tǒng)所用的新一代高溫結(jié)構(gòu)材料中的候

27、選材料之一，深受從事高溫結(jié)構(gòu)材料研發(fā)的工作人員的青睞，但由于TiAl基合金的室溫脆性低，使得TiAl基合金的薄壁鑄件的鑄造更為艱難，因此，精密鑄造TiAl基合金的應用前景之廣闊。1.5鑄造過程中的數(shù)值模擬隨著時代的發(fā)展，計算機技術(shù)逐步應用于鑄造領(lǐng)域，鑄造成型數(shù)值模擬技術(shù)在優(yōu)化熔模工藝和研究金屬熔模理論起著越來越重要的作用。鑄造成型數(shù)值模擬技術(shù)可以預測實際過程中工作人員在鑄造成型時鑄件可能產(chǎn)生的缺陷、產(chǎn)生的時間、缺陷的大小及缺陷的部位，從而進行優(yōu)化鑄造成型工藝，確保鑄件質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，縮短試制周期。主要有應力場數(shù)值模擬、充型數(shù)值模擬、縮松縮孔數(shù)值模擬。1.6主要研究內(nèi)容真空吸鑄是鑄造TiAl

28、基合金的一種新工藝技術(shù)，其主要優(yōu)點有以下幾個方面：（1）由于TiAl基合金的活性比較大，在空氣中容易氧化，而真空吸鑄在真空下進行鑄造，避免了金屬液在凝固過程中的氧化。（2）在真空條件下鑄造，型腔與外界存在壓力差，而在壓力差的條件下鑄造成型，可以減少縮松、縮孔缺陷的形成。（3）由于TiAl基合金液體的流動性比較差，在熔模鑄造時需要給液體很高的溫度才能保證充型完整，而在真空吸鑄時，不需要太高的溫度就可以充型完整。本課題主要是利用procast軟件對小薄壁型TiAl基合金鑄件進行鑄造成型數(shù)值模擬，觀察模擬整個過程中的充型過程和溫度變化，以及調(diào)整工藝參數(shù)從而減少模擬過程中縮松、縮孔等缺陷的產(chǎn)生，從而優(yōu)

29、化工藝。第二章 研究方法及參數(shù)設(shè)置2.1真空吸鑄過程分析真空吸鑄充型過程是在金屬液自身重力和鑄型上下壓差作用下進行充型的，使得充型動力增加，而TiAl合金金屬液活性大，流動性差，冷卻速度快，而真空吸鑄可以增加充型動力，于是該工藝可以澆鑄小型薄壁件TiAl合金件。因為型腔處于真空條件下，里面無空氣，所以金屬液在澆鑄時受到的熱氣體反作用力降低，大大減少了充型阻力，大大減小了薄壁件因充型冷卻速度太快而造成充型能力減小進而導致澆不足等缺陷。由于金屬液活性較大，而型腔真空度比較高，避免了金屬液的氧化。還有在真空條件下，有利于充型過程中的氣體排出，在上下壓差下，減小了在凝固過程中縮松、縮孔缺陷的產(chǎn)生。在充

30、型過程中，為了避免鑄件產(chǎn)生縮松、縮孔、夾雜、澆不足等缺陷，我們必須對澆鑄工藝進行優(yōu)化。當金屬液溫度過低時，薄壁件凝固速度過快，容易產(chǎn)生澆不足等缺陷；當金屬液過高時，在澆鑄過程中金屬液不斷的沖刷型腔，容易沖壞型腔，產(chǎn)生夾雜；當以過小的澆鑄速度進行澆鑄時，雖然金屬液能保持平穩(wěn)狀態(tài)進入型腔，但由于金屬液冷卻速度快，也容易產(chǎn)生澆不足；當澆鑄速度過快時，澆鑄時金屬液射流寬度較小，容易沖破型腔液面，擾動液面，容易產(chǎn)生氣泡和夾雜等缺陷，另外射流寬度小、速度大容易產(chǎn)生紊流，在型腔底部形成渦流。在澆鑄過程中鑄型溫度也比較關(guān)鍵，當鑄型溫度較高時，鑄型保溫效果好，但澆鑄時金屬液容易沖砂；當鑄型溫度太低時，金屬液凝固

31、速度太快，容易產(chǎn)生縮松、縮孔。綜上所述，所以澆鑄過程中要選擇一定的澆鑄溫度、澆鑄速度和鑄型溫度。2.2實驗材料及模擬參數(shù)選取2.2.1實驗材料選取本課題研究的是真空吸鑄對TiAl基合金的亞快速凝固行為，所以鑄件主要材料為TiAl合金，TiA合金的優(yōu)點是具有非常好的彈性模量，高溫強度和氧化性能，使得它在未來的渦輪發(fā)動機制作中成為一個具有很大吸引力的材料10。鑄造和金由于其生產(chǎn)成本低，已被用來生產(chǎn)汽車的渦輪增壓器11和活塞12 。航空發(fā)動機的應用需要仔細評估和改善伽瑪鋁化物許多方面的特性，包括疲勞，韌性和蠕變13。為了滿足設(shè)計要求，合金化是一個用來優(yōu)化不同性能的基本手段。Nb或許是伽瑪鋁化物最重要

32、的合金元素，眾所周知，Nb可以用來提高伽瑪合金的強度和抗氧化性能，更是高達12%的Nb已被用來作為合金添加劑14。目前尚不清楚，Nb含量達到多少時可使疲勞趨近于開裂。與大多數(shù)合金均勻穩(wěn)定的微觀結(jié)構(gòu)一樣，可以用來為發(fā)動機部件服務(wù)。但是對于鑄件，可用于修改組織的手段是非常有限的。所以在TiAl合金為主要材料的情況下，我還加入少量的Nb進行模擬，于是這次選擇的材料為Ti45.5%Al8%Nb進行模擬。2.2.2模擬參數(shù)選取本次模擬思路如下：（1）鑄件尺寸為20mm60mm2mm的薄板件，鑄型為高度為80mm直徑為24mm的圓柱體，冒口為圓錐形。（2）鑄件材料為Ti45.5%Al8%Nb，鑄型材料為冷

33、鐵H-13。（3）由于Ti45.5%Al8%Nb材料的液相線和固相線分別為1503和1444。凝固分數(shù)線如圖2-1。所以初步選取模擬溫度為1600，澆鑄速度為2.4ms(對應是3秒澆鑄完)，換熱系數(shù)h=1000（金屬型砂型換熱系數(shù)一般為1000-2000），鑄型溫度為600。首先控制澆鑄速度、換熱系數(shù)和鑄型溫度不變，單量變換澆鑄溫度，選取較好的澆鑄溫度，然后再控制澆鑄溫度不變，變換其他一個參數(shù)，選取最好個參數(shù)，依次進行控制單一變量進行模擬，注重目的選取一個最好的模擬參數(shù)。圖2-1.凝固分數(shù)線與溫度關(guān)系圖2.3研究方案本課題主要利用procast來進行TiAl基合金真空吸鑄的充型模擬和凝固過程的

34、模擬來指導實踐，由于設(shè)備有限，只進行模擬，不進行試驗。模擬參數(shù)主要選取的有澆鑄溫度、澆鑄速度、鑄型溫度和換熱系數(shù)。對模擬后的處理，主要通過模擬全過程中的動畫來考察鑄造過程中的凝固分數(shù)、溫度場及縮松、縮孔的位置和大小。利用凝固分數(shù)及凝固時間來考察TiAl基合金在真空吸鑄過程中的凝固特性。本課題中的最終凝固溫度為600，因為600時TiAl早以完全凝固，設(shè)置凝固最終溫度為600時可以縮短模擬時間，而凝固時間是指合金溶液從澆鑄溫度冷卻到600時所用的時間，凝固分數(shù)是指在凝固過程中合金溶液中固相的分數(shù)?？s松、縮孔的位置及大小是來分析鑄造過程中的工藝參數(shù)對縮松、縮孔的影響。第三章真空吸鑄TiAl基合金熔

35、體充型規(guī)律圖3-1procast模擬流程圖3.1數(shù)值模擬流程Procast軟件模擬的流程如圖3-1， 首先建立三維模型，然后進行面網(wǎng)格劃分、體網(wǎng)格劃分，再進行參數(shù)設(shè)置，最后進行可視化處理，進行結(jié)果分析。本課題模擬具體步驟如下：(1) 首先用proe建立三維模型，鑄型如圖3-2、鑄件如圖3-3。然后將建立的鑄型跟鑄件裝配起來，裝配圖如圖3-4。另存為igs格式(2) 將裝配圖的igs格式導入meshcast中進行面網(wǎng)格和體網(wǎng)格的劃分。(3) 進行初始條件設(shè)置，先對鑄型和鑄件進行材料設(shè)置，然后進行邊界條件設(shè)置（包括澆鑄速度、澆鑄溫度、換熱系數(shù)及鑄型溫度），設(shè)置好后進入ProCAST進行模擬。(4)

36、 模擬完成后進入可視化結(jié)果分析。a)b)圖3-2.鑄型圖 圖3-3鑄件圖圖3-4. a)為裝配后的框架圖，b)為裝配后的實物圖3.1.1造型本課題中的三維造型是用proe進行三維造型的，鑄件的是20mm60mm2mm的薄板件，鑄型為高度為80mm直徑為24mm的圓柱體，其中內(nèi)部去除了跟鑄件一模一樣尺寸的長方體，正好跟鑄件組裝，冒口為圓錐形。3.1.2網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分是決定procast能否正常模擬的比較關(guān)鍵的一步，也是比較困難的一步，如果網(wǎng)格劃分不好后面將無法進行。面網(wǎng)格劃分時特別注意是否重合面，對有重合面的一定要注意進行處理，否則后面進行體網(wǎng)格劃分時就會出現(xiàn)比較多的交叉網(wǎng)格。另外網(wǎng)格步長也是

37、比較關(guān)鍵的，它決定模擬的精度。網(wǎng)格越細小，網(wǎng)格數(shù)越多，模擬精度越高，但模擬時間就越長；網(wǎng)格步長越大，網(wǎng)格數(shù)越少，模擬精度越小，模擬時間越短。所以在滿足模擬精度的情況下，盡可能的使用粗大網(wǎng)格，將網(wǎng)格步長設(shè)大一點，這樣就可以縮短模擬時間。3.2 物性參數(shù)計算ProCAST數(shù)值模擬的直接依據(jù)是材料的物性參數(shù)，材料的物性參數(shù)直接決定著模擬結(jié)果的可靠性和準確性。材料的熱物性參數(shù)直接決定著溫度場模擬的準確性，只有材料飛熱物性參數(shù)非常精確，模擬出來的溫度場才與實際才更加相近。圖2-1為合金固相分數(shù)線與溫度的關(guān)系，從圖中可以清楚的看出，當溫度為1444時，凝固分數(shù)為1，也可以看出Ti45.5%Al8%Nb材料

38、的固相線為1444。當溫度為1503時，從圖中可以看出凝固分數(shù)為0，也可以看出Ti45.5%Al8%Nb的液相線溫度為1503。圖3-5.Ti45.5%Al合金固相分數(shù)與溫度之間的關(guān)系Nb或許是伽瑪鋁化物最重要的合金元素，眾所周知，Nb可以用來提高伽瑪合金的強度和抗氧化性能，目前尚不清楚，Nb含量達到多少時可使疲勞趨近于開裂。與大多數(shù)合金均勻穩(wěn)定的微觀結(jié)構(gòu)一樣，可以用來為發(fā)動機部件服務(wù)。但是對于鑄件，可用于修改組織的手段是非常有限的。所以在TiAl合金為主要材料的情況下，我還加入少量的Nb進行模擬。下面來比較一下Ti45.5%Al8%Nb與不加Nb的Ti45.5%Al合金的性能進行比較由圖2-

39、1為Ti45.5%Al8%Nb合金的凝固分數(shù)與溫度之間的關(guān)系與圖3-5為Ti45.5%Al合金的凝固分數(shù)與溫度之間的關(guān)系可以看出，Ti45.5%Al8%Nb合金的液相線溫度比Ti45.5%Al合金的液相線溫度低，在澆鑄Ti45.5%Al8%Nb合金時所需的最低澆鑄溫度比Ti45.5%Al合金的所需的最低澆鑄溫度要低，從能源的角度來看，節(jié)省能源。如果在相同溫度情況下進行澆鑄時Ti45.5%Al8%Nb合金的過冷度大，金屬液流動性好，有利于充型。圖3-6.Ti45.5%Al8%Nb合金的焓值與溫度之間的關(guān)系由圖3-6 Ti45.5%Al8%Nb合金的焓值與溫度之間的關(guān)系與圖3-7為Ti45.5%A

40、l合金的焓值與溫度之間的關(guān)系進行比較可以看出，在相同溫度下，Ti45.5%Al合金的焓值明顯要比Ti45.5%Al8%Nb合金的焓值高，并且Ti45.5%Al合金的焓值隨溫度的增長率也比Ti45.5%Al8%Nb合金大，而焓值在熱力學中表示物質(zhì)系統(tǒng)能量的狀態(tài)參數(shù)，焓值越高，物質(zhì)系統(tǒng)能量越大，越不穩(wěn)定。從此處可以看出Ti45.5%Al8%Nb合金比不加Nb的Ti45.5%Al合金要穩(wěn)定。圖3-7.Ti45.5%Al合金的焓值與溫度之間的關(guān)系由圖3-8為Ti45.5%Al8%Nb合金的密度與溫度之間的關(guān)系與圖3-9為Ti45.5%Al合金的密度與溫度之間的關(guān)系可以看出，Ti45.5%Al8%Nb合

41、金的密度比Ti45.5%Al合金的密度大，造成這中情況產(chǎn)生的原因是加了Nb而產(chǎn)生的。圖3-8.Ti45.5%Al8%Nb合金的密度與溫度之間的關(guān)系圖3-9.Ti45.5%Al合金的密度與溫度之間的關(guān)系由圖3-10為Ti45.5%Al8%Nb合金的導熱系數(shù)與溫度之間的關(guān)系與圖3-11為Ti45.5%Al合金的導熱系數(shù)與溫度之間的關(guān)系可以看出，在溫度大于1400時Ti45.5%Al合金的導熱系數(shù)明顯要比Ti45.5%Al8%Nb合金的導熱系數(shù)大，導熱系數(shù)越大，則保溫效果越差。圖3-10.Ti45.5%Al8%Nb合金的導熱系數(shù)與溫度之間的關(guān)系由圖3-12為Ti45.5%Al8%Nb合金的粘度與溫度

42、之間的關(guān)系與圖3-13為Ti45.5%Al合金的粘度與密度之間的關(guān)系可以看出，Ti45.5%Al8%Nb合金的粘度比Ti45.5%Al合金的粘度大，然而合金液粘度越大，則充型越困難。圖3-11.Ti45.5%Al合金的導熱系數(shù)與溫度之間的關(guān)系圖3-12.Ti45.5%Al8%Nb合金的粘度與溫度之間的關(guān)系圖3-13 .Ti45.5%Al合金的粘度與密度之間的關(guān)系 總體來說，加Nb的TiAl基合金整體性能比不加Nb的TiAl基合金性能要好。3.2工藝參數(shù)對充型影響的數(shù)值模擬32.1澆鑄溫度對充型的影響澆鑄溫度對鑄造成型的影響非常大，澆鑄溫度越高，合金流動性越好，便于充型。為了探究澆鑄溫度對鑄造成

43、型的全過程的影響，選取的澆鑄速度為2.4ms，換熱系數(shù)為1000wm2k，鑄型溫度初步選取600。澆鑄溫度選取1550、1575、1600、1625進行數(shù)值模擬。以下對模擬后的可視化結(jié)果進行分析。首先對凝固分數(shù)進行分析，模擬后的凝固分數(shù)如圖3-14由上面圖3-14中澆注溫度分別為1550、1575、1600、1625凝固分數(shù)圖可知，澆鑄溫度越低時，澆口部位后期由于凝固原因，澆口通道越來越窄，則不利于澆口部位合金液向薄板補縮，薄板在后期凝固過程中容易產(chǎn)生縮松、縮孔。當澆鑄溫度較高時，很明顯，澆口部位計較寬，薄板在后期凝固時能夠得到澆口部位合金液的補縮。但由于澆鑄溫度高，凝固速度緩慢，從圖3-14

44、中澆鑄溫度為1625時，很明顯可以看出，薄板中下部凝固分數(shù)比較小，液相所占比例較大，但澆口部位凝固分數(shù)比較高，在后期d)c)b)a) 圖3-14.為模擬后的凝固分數(shù)圖，澆鑄溫度為a) 1550、b) 1575、c) 1600、d) 1625凝固過程中，澆口部位肯定比下面部位首先凝固，依然會造成澆口先凝固，薄板后期凝固中得不到金屬液的補縮，也容易造成縮松、縮孔。從此可以看出，并不是澆鑄溫度越高越好，應選擇更好澆鑄溫度。a)b)c)d) 圖3-15.為應力圖，澆鑄溫度為a) 1550、b) 1575、c) 1600、d) 1625由上面圖3-15中1550、1575、1600、1625應力圖可知，

45、澆鑄溫度為1550時，主要應力集中在薄板正中部，1575應力集中在薄板中上部，1600應力主要集中在薄板中下部，1625應力基本分布在薄板的全部位置，從此處應力圖可以跟凝固分數(shù)圖聯(lián)合起來看，彼此是相互聯(lián)系的。當澆鑄溫度為1550和1575時，薄板只有中部凝固分數(shù)比較小，其余基本完全凝固，并且面積也不是很大，而澆鑄溫度為1600和1625很明顯薄板中部凝固分數(shù)比較小的面積明顯較前兩種大，尤其是澆鑄溫度為1625時，中部還有一大片凝固分數(shù)非常小的區(qū)域，很明顯在后期凝固過程中，交口處合金液得不到補縮，四周凝固收縮，就會造成應力就非常大，由圖也可以明顯的反映出來，在下方有黃色區(qū)域，由對比卡可知，此處應

46、力更大。d)b)a)c) 圖3-16.為縮松縮孔圖，澆鑄溫度為a) 1550、b) 1575、c) 1600、d) 1625 由上面圖3-16中1550、1575、1600、1625縮松、縮孔圖可知：當澆注溫度為1550時縮松、縮孔面積最小，縮松、縮孔位置處于板件的中部；當澆注溫度為1575時，縮松、縮孔在薄板中部比較多，薄板底部存在少數(shù)；澆鑄溫度為1600時，縮松、縮孔位置主要集中在中下部；當澆鑄溫度為1625時，縮松、縮孔面積最大，主要集中在中下部，并且中部還有少量縮松、縮孔。從縮松、縮孔出現(xiàn)的位置可以與上面的凝固分數(shù)圖聯(lián)系起來，縮松、縮孔主要出現(xiàn)在凝固分數(shù)比較低的部位，由于后期凝固而又得

47、不到合金液的補縮，就造成了縮松、縮孔。最后由圖3-14、圖3-15和圖3-16綜合分析，澆鑄溫度為1550時，比較好。3.2.2鑄型溫度對充型的影響本次選取的工藝參數(shù)為澆鑄溫度為1550，澆鑄速度為2.4ms，換熱系數(shù)為1000 wm2k，鑄型溫度分別為600、400、200和0進行對比分析，從中選取一個比較好的鑄型溫度。模擬后的凝固分數(shù)如圖3-17d)c)b)a) 圖3-17.為凝固分數(shù)圖，鑄型溫度為a) 600、b) 400、c) 200、d) 0由上面圖3-17中鑄型溫度分別為600、400、200和0圖可知，鑄型溫度越低時，冷卻速度越快，薄板底部和邊緣部位基本同時凝固，而凝固分數(shù)比較小

48、的部位主要集中在澆口部位，這樣在后期凝固時就可以得到澆口部位合金液的補縮。對應的縮松、縮孔面積理論上應該減小。但是由于鑄型溫度越低，冷卻速度越快，如果澆口部位先出現(xiàn)凝固的話，則主要縮松、縮孔部位將出現(xiàn)在薄板中上部。理想中的冷卻趨勢是從底部逐漸凝固，澆口部位最后凝固，如果這樣的話，合金液在凝固過程中就能得到補縮，縮松、縮孔將減少。鑄型溫度越高，保溫效果越好，合金凝固速度越緩慢，但是會造成鑄件組織粗大，力學性能不好。從此可以看出，并不是鑄型溫度越高越好，應選擇更加合適的鑄型溫度。 d)c)b)a) 圖3-18.為應力圖，鑄型溫度為a) 600、b) 400、c) 200、d) 0 由上面圖3-18

49、中鑄型溫度分別為600、400、200和0圖可知，鑄型溫度為600時，應力主要集中在薄板正中部，鑄型溫度為400應力集中在薄板中上部，鑄型溫度為200時，整個薄板應力比較小而且比較均勻，鑄型溫度為0時應力基本分布在薄板的底部位置，從此處應力圖可以跟凝固分數(shù)圖聯(lián)合起來看，彼此是相互聯(lián)系的。當鑄型溫度為400時，從凝固分數(shù)圖中可以很明顯的看到澆口部位基本快要凝固，而薄板中還有很大面積凝固分數(shù)比較小，后期凝固時得不到合金液的補縮，就會造成薄板件中應力比較大。而在應力圖中可以看出，當鑄型溫度為400薄板件靠近澆口部位呈現(xiàn)大片藍色區(qū)域，而此區(qū)域應力比較大，正好與凝固分數(shù)圖相匹配。雖然鑄型溫度為200和0

50、時凝固分數(shù)比較小的部位面積比較大，但是這些部位都處于澆口部位，而澆口部位尚未凝固，這些區(qū)域在后期凝固過程中就會得到合金液的補縮，應力相對比較小。從圖3-19中可以看出，當澆鑄溫度為1550，鑄型溫度分別為600、400、200和0時，縮松、縮孔面積都比較小，而且只有鑄型溫度為600時縮松、縮孔部位處于薄板正中間，鑄型為其他三種溫度時，縮孔、縮孔部位主要集中于薄板中上部。鑄型溫度為0時，縮松、縮孔比較分散，雖然面積不大，但對薄板件的整體性能會有很大影響。d)c)b)a) 圖3-19.為縮松、縮孔圖，鑄型溫度為a) 600、b) 400、c) 200、d)0最后由圖3-17、圖3-18和圖3-19

51、綜合分析得出當鑄型溫度為200比較好。 圖3-20.澆鑄速度為2.4ms時出現(xiàn)澆鑄紊流3.2.3澆鑄速度對充型的影響本次選取的工藝參數(shù)為澆鑄溫度為1550，換熱系數(shù)為1000 wm2k，鑄型溫度分別200，澆鑄速度為1.6ms和0.8ms進行對比分析，從中選取一個比較好的澆鑄速度。其中對澆鑄速度的選取都比2.4ms小時因為在澆鑄速度為2.4ms時，澆鑄時明顯出現(xiàn)紊流如圖3-20，而澆鑄時出現(xiàn)紊流這對鑄件十分有害，應盡力避免。c)b)a) 圖3-21.為凝固分數(shù)圖，澆鑄速度a) 2.4ms、b) 1.6ms、d）0.8msc)b)a) 圖3-22.為應力圖，澆鑄速度a) 2.4ms、b) 1.6

52、ms、d）0.8msc)b)a) 圖3-23.為縮松、縮孔圖，澆鑄速度a) 2.4ms、b) 1.6ms、d）0.8ms對澆鑄速度對充型的影響進行分析，從圖3-21凝固分數(shù)圖可看出隨著澆鑄速度越來越小，凝固分數(shù)小的區(qū)域越來越小，并且還越趨近與澆口部位，這種趨勢使得凝固分數(shù)較小區(qū)域在后期凝固時等及時得到澆口部位合金液的補縮，縮松、縮孔缺陷得到減小。由圖3-22應力圖可以看出，澆鑄速度為2.4ms時應力最小也最均勻，澆鑄速度為1.6ms和澆鑄速度為0.8ms時應力都比較大，尤其是當澆鑄速度為0.8ms時，應力最大。由圖3-23縮松、縮孔圖可知，當澆鑄速度為0.8ms時縮松、縮孔缺陷最小，而且處于薄

53、板頂部。3.3數(shù)值模擬確定的充型影響從而控制優(yōu)化工藝參數(shù)從上面對不同的澆鑄溫度、不同的鑄型溫度和不同的澆鑄速度進行模擬分析，發(fā)現(xiàn)并不是澆鑄溫度越高越好。理論上澆鑄溫度越高，合金液流動性越強，雖然有利于充型，但澆鑄溫度太高，會造成粘砂，縮松、縮孔，熱烈，局部氧化，反應氣孔偏多等危害。溫度過低會造成澆不足、夾渣、夾砂等缺陷。由圖3-16可以清楚的看出當澆鑄溫度為1625時，明顯縮松、縮孔面積比較大，與理論相符合；鑄型溫度越高，保溫效果越好，越有利于充型，但鑄型溫度過高，會造成組織粗大，組織韌性、塑性越低，對材料的性能不利，鑄型溫度過低，則保溫效果不好，凝固速度變快，會造成澆不足，縮松、縮孔等缺陷；

54、澆鑄速度越快，越有利于充型，但會造成沖砂，澆鑄時出現(xiàn)紊流等，澆鑄速度過慢，造成澆不足等缺陷?？偠灾?，在保證充型率的基礎(chǔ)上，要進行澆鑄工藝參數(shù)優(yōu)化，選擇合適澆鑄溫度、澆鑄速度、鑄型溫度等一系列工藝參數(shù)，從而節(jié)省能源，也保證澆鑄成型的鑄件性能也比較好，最終達到雙優(yōu)。3.4模擬后的薄板組織由圖3-14、3-17、3-21凝固分數(shù)圖可以看出，同一時刻的凝固分數(shù)，薄板下部凝固分數(shù)比較高，上部凝固分數(shù)比較低，從側(cè)面可以反映出，金屬液在凝固過程中，薄板下部首先凝固，隨后上部才凝固，也可以反映出，下部凝固速度快，上部凝固速度慢。圖3-24是薄板凝固后的薄板上部組織在電子顯微鏡下的組織圖；圖3-25是薄板凝固

55、后的薄板下部組織在電子顯微鏡下的組織圖；圖3-26是薄板凝固后由下往上片層間距圖；圖3-27是薄板凝固后由下往上晶粒尺寸大小圖。 從圖3-24可以看出，薄板上部組織比較粗大，片層間距也比較大。從圖3-25可以看出，薄板下部組織比較細小，片層間距也比較小。組織越粗大，相應的晶粒越大。晶粒越大，則晶界越大，而晶界又相當于材料中的裂紋，晶粒越大時，單位體積的晶粒數(shù)越少，當晶界承受力時，分配到各晶粒的力就比較大，晶界就容易開裂，產(chǎn)生裂紋。所以組織粗大會使得材料的強度、塑性及韌性降低，從而使得材料的性能不好。薄板下部組織比較細小，組織越小，鑄件的強度、硬度越高，塑性、韌性越好。組織越細小，晶粒則越小，單位體積的晶粒數(shù)越多，當材料收到一定作用力時分配到各晶粒的力就越小，組織性能就越好。常用細化晶粒也就所謂的細晶強化的方法有：(1) 增加過冷度。在連續(xù)冷卻情況下，冷卻速度越大，則過冷度越大，而理論上過冷度越大，鑄件的晶粒越小。增大冷卻速度的方法有：降低熔液的澆注溫度，選用散熱性能、導熱能力和吸熱性較好的鑄型材料等措施來達到。(2)