1、西安航空职业学院毕业论文基于 ProCAST 的环形钛合金铸件缩孔分布预测姓 名： 专 业： 航空电子 班 级： 完成日期： 指导教师: 摘 要：基于 ProCAST 对钛合金环形铸件的铸造过程中的流动场、温度场及缩孔分布进行了数值模拟。为验证模拟结果，根据模拟模型设计了浇注实验。模拟结果显示金属液流动过程平稳，铸件成形完整，缩孔成条形分布在铸件内环部位。实验和模拟预测的缩孔结果吻合的很好，说明数值模拟能准确预测钛合金铸件的缩孔分布，从而为工艺设计提供重要参考。关键词：数值模拟；钛合金铸件；缩孔；对比验证 钛合金由于具有高的比强度和比模量，较好的高温抗蠕变性能及抗氧化能力，因而在航空航天、核电
2、、海洋工程、化工等领域被大量应用 1-3。精密铸造方法是钛合金的一种重要成形方法，采用此技术生产的钛合金铸件结构复杂、表面质量好、加工余量少，正受到越来越广泛的重视 4。钛合金的浇注过热度低，收缩倾向大，因此在铸造成形中容易出现欠铸及缩孔缺陷 5。采用传统的试错法消除缩孔缺陷不仅费时费力，且难以获得最优方案 6。随着计算机软硬件的发展，数值模拟技术在铸造行业中得到广泛应用，但在钛合金铸造中的应用研究仍处于起步阶段 7,8。本文通过对一个典型钛合金铸件进行数值模拟分析，简要阐述钛合金铸造的模拟方法和参数选取等问题，并通过浇注实验验证模拟的准确性。1 模型构建与前处理1.1 铸件模型与网格划分选取
3、环形钛合金铸件进行模拟分析。铸件结构如图 1 所示，其轮廓尺寸为7042mm，最大壁厚为 11mm，最小壁厚为 4.5mm。铸件中部存在热节区域，如图 1 圆圈内所示，推测缩孔易在此处产生。蜡模拼组时将 8 件铸件蜡模拼组在双层浇道上，每层 4 个，每个铸件适当放置 2 个浇口、2 个冒口和 2 个圆柱形辅浇，如图 2 所示。利用 ProCAST 对模组三维模型划分四面体网格，网格尺寸为 4-20mm，体网格数量约 200 万。图 1 环形钛合金铸件轮廓图图 2 环形钛合金铸件模拟模型(b)(a) (c)(a) 浇冒口设置；(b) 铸件浇注系统；(c) 铸件及模壳的网格划分 1.2 前处理设置
4、铸件缩孔模拟依次由金属液凝固及冷却凝固两部分模拟组成。浇注材料选用 Ti-6Al-4V8，模壳材料选用 ProCAST 材料数据库中的 CBSMS-M 型壳用砂，具体热物性参数值见表 1。应用 Visual-Cast 设置模拟参数：重力浇注，浇注时间为 5s，浇注温度 1720，型壳预热温度200，金属 -铸型界面换热系数 h1000W/(m 2K)，离心转速 180r/min（应力计算时去除） ，型壳内冷却 100min，脱壳后冷却 30min。表 1 铸件和模壳材料的热物性参数材料 液相线()固相线()比热容(kJkg-1K)导热系数(Wm-1K)粘度(10-3Pas)弹性模量(GPa)屈
5、服强度(MPa)热膨胀系数(10-6K-1)Ti-6Al-4V 1650 1600 0.5-1.1 7.2-34.8 2.3-3.2 0.3-103 8-827 8.6-12.6CBSMS-M - - 0.8-1.33 0.6-1.1 - 17.69 - 13.32 实验设计与实施为验证模拟的准确性，设计了环形铸件实际浇注实验，实验模组与模拟采用的三维模型一致，确保模拟与实验结果具有可比性。实验流程流程主要包括蜡模组焊、型壳制备、浇注、清壳、吹砂。模壳面层为 Y2O3 陶瓷，背层为 Al2O3 陶瓷，总厚度平均值为 15mm。铸件材料为 Ti-6Al-4V，采用真空自耗凝壳炉进行离心浇注，离心
6、转速为 180r/min，模壳预热温度设定为 200。浇注成形的铸件如图 3 所示。使用 G949007 型 X 光成像仪观察并统计铸件内部缩孔的大小与分布，用以评价模拟的准确性。3 模拟结果与分析3.1 铸件充型凝固过程分析图 4 所示为充型凝固模拟过程中的铸件温度场分布。由图 4 可知，浇注开始后 4s 后铸件区域即充型完成，金属液经由底浇盘和浇口由下往上充满整个铸件型腔，流动过程平稳顺畅。金属液前沿的最低温度约 1680，与浇注温度相比仅下降 20且高于液相线温度，说明充型时金属保持液态，不存在提前凝固的风险。浇注开始后 80s 铸件本体即全部凝固完毕。铸件及浇注系统的凝固顺序为铸件薄壁
7、区域冒口浇口铸件中部热节底浇盘直浇道，铸件大部分本体部分先于浇注系统凝固，这样实现了铸件的顺序凝固，但铸件中部仍存在孤立热节区域，浇冒系统有待进一步改进。 (a) (b) (c)图 3 浇注成形铸件图 4 浇注开始后铸件温度场模拟结果(a) 1.5s; (b) 3s; (c) 4s; (d) 20s; (e) 50s; (f) 80s3.2 缩孔分析缩孔是钛合金铸件最常见的冶金缺陷，缩孔的多少会严重影响补焊次数和铸件质量。浇冒口系统影响凝固过程中热节区域的温度场，因此合理的浇冒口系统能够减少缩孔的出现。缩孔分布的模拟预测结果如图 5(a) (f)所示。分析模拟结果可知 8 个铸件的缩孔分布大致
8、相同，说明铸件放置位置对缩孔分布没有影响。缩孔主要分布在铸件中部的厚大环形热节区域，即图 1 中圆圈所示区域。缩孔形貌多成长条状，或小缩孔弥散分布呈长条形，或形成长条形连续缩孔，缩孔尺寸一般在 530mm 至 1080mm 之间。浇注实验中的铸件缩孔分布如图 6(g) (i)圆圈内所示。可以看出实际缩孔同样分布在铸件中部的环状热节区域内部，缩孔或弥散分布成长条状（见图 5(g)） ，或形成连续的长条形大缩孔（见图 5(h)、(i)） ，尺寸约在 540mm 至 5100mm 之间。对比模拟和实验结果可知，模拟预测的缩孔分布的位置与实验结果吻合的很好，证明模拟结果能够准确缩孔的位置分布；由于实际
9、浇注过程中各铸件冷却条件存在随机波动现象，模拟预测的缩孔尺寸与实验结果存在轻微的偏差，但是尺寸预测准确率能够达到 80%，吻合情况较好，基本满足了钛合金铸件实际生产的需要。 (d) (e) (f)(a) (b) (c)(d) (e) (f)(g) (h) (i)图 5 环形钛合金铸件缩孔的预测结果与实验结果(a) (f) 模拟预测的缩孔结果；(g) (i) 实验的缩孔 X 光检测结果4 工艺改进与结果分析缩孔产生的原因可知，浇口尺寸偏小使得浇口凝固过快，补缩通道被打断，铸件中部形成孤立热节区域导致缩孔在此处产生。因此可通过调整浇口尺寸来消除缩孔，调整方案如图 6 所示。中部热节处的热节圆的直径
10、约为 12mm，按照热节圆直径：浇口宽度1:1.2 的原则，将浇口尺寸由 129mm 改为 2015mm。利用 ProCAST 对改进后的浇注系统进行模拟仿真，可在投产前确定改进方案的可行性。由图 7 可知铸件的热节区域已转移至浇口内，铸件部位实现了顺序凝固，消除了缩孔风险。由图 8 可以看出模拟结果与实验结果吻合的很好，缩孔缺陷得到有效消除，内部质量明显提升。图 6 浇口设置示意图(a) 浇口调整前; (b) 浇口调整后图 7 孤立热节区域示意图(a) 浇口调整前; (b) 浇口调整后(a) (b)(a) (b)(a) (b)图 8 浇口调整后铸件内部的缩孔分布 (a) 模拟预测结果; (b
11、) 实验结果 5 结论（1）铸件缩孔模拟包含金属液充型及冷却凝固两部分。其中浇冒口设计不够合理导致凝固过程中铸件中部形成孤立液相区是导致铸件产生缩孔的主要原因。（2）模拟结果显示铸件中部热节部位存在长条状缩孔，缩孔尺寸一般在 530mm 至1080mm 之间。而实验结果中缩孔分布在相同位置，尺寸约在 540mm 至 5100mm 之间。对比上述结果可知缩孔的模拟结果与实际结果吻合的很好，验证了利用 ProCAST 进行缩孔预测的准确性。（3）增大浇口尺寸可使热节区域转移至浇口内部，铸件实现了顺序凝固。模拟与实验结果显示铸件中均不存在缩孔，验证了新方案的可行性。（4）借助数值模拟技术能够精确预测
12、钛合金铸造过程中的缩孔缺陷，避免了重复试制，降低了研发成本，实现工艺的快速改进。参考文献1 隋艳伟，李邦盛，刘爱辉. 离心铸造钛合金件的力学性能变化规律 J. 稀有金属材料与工程，2009，38（2）：251-254.2 崔新鹏，张晨，范世玺，南海. 框架型钛合金铸件应力和铸造变形的数值模拟 J. 特种铸造及有色合金，2015，35（3）：257-259.3 楚玉东，常辉，黄东. ZTC4 钛合金机匣构件离心铸造过程的数值模拟J. 特种铸造及有色合金. 2012，32（2）：133-136.4 苏鹏，刘鸿羽，赵军. 钛合金熔模铸造型壳制备技术研究现状J. 铸造，2012，61（12）：1401
13、-1404.5 肖树龙，陈玉勇，朱洪艳. 大型复杂薄壁钛合金铸件熔模精密铸造研究现状及发展 J. 稀有金属材料与工程，2006，35（5）：678-681.6 韩大平，杨武，彭志江. 基于 ProCAST 的大型薄壁机匣件整体熔模铸造工艺研究J. 铸造，2013，62（10）：979-982.7 柳百成. 建模与仿真在装备制造中的作用与前景J. 航空制造技术，2008（3）：26-27.8 黄建民. 有限元技术的发展及其在装备制造业中的应用J. 上海电机学院学报，2010（3）：177-178.9 M. Boivineau, C. Cagran, D. Doytier. Thermophysical properties of solid and liquid Ti-6Al-4V(TA6V) alloyJ. International Journal of Thermophysics, 2006, 27(2): 507-529.致 谢感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我很多素材，还在论文的撰写和排版过程中提供热情的帮助。由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正!
