基于procas的ial葉片縮孔縮松的消除

基于procas的ial葉片縮孔縮松的消除

ti-47al-2c-2nb是第二代tial-2nb的組合金，具有低密度、高比強(qiáng)度和高比彈性模型。在高溫下，它仍然可以保持足夠的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)也具有良好的抗疲勞防滑和抗疲勞抗等能力。被認(rèn)為是理想的航空發(fā)動(dòng)機(jī)替代品。但問題是TiAl基金屬間化合物在室溫下幾乎沒有延展性,加工成形成本高,因此,研究者將重點(diǎn)集中在TiAl基合金精密鑄造近凈成形(NearNetShape)技術(shù)上。但是TiAl合金精密鑄件易于形成縮孔、縮松缺陷,葉片成品率較低,影響其批量生產(chǎn)及應(yīng)用。利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬手段優(yōu)化精密鑄造工藝,可提高鑄件品質(zhì),降低成本及縮短產(chǎn)品試制周期,非常適用于熔鑄成本較高的TiAl合金的精密鑄造。本課題以TiAl合金葉片為例,利用ProCAST有限元鑄造模擬軟件對其鑄造過程的縮孔、縮松進(jìn)行預(yù)測,并通過模擬的方法研究了底部銅板+型殼預(yù)熱法、型殼縱向外加溫度梯度法及型殼整體預(yù)熱法對TiAl葉片縮孔、縮松的消除效果。1模擬實(shí)驗(yàn)預(yù)處理1.1建立幾何模型圖1為TiAl葉片及型殼的三維造型圖及有限元網(wǎng)格剖分圖。采用Pro/E建立葉片三維模型(見圖1a)后導(dǎo)入Meshcast進(jìn)行網(wǎng)格剖分。為便于工藝上的研究分析,本模擬試驗(yàn)只對單一葉片進(jìn)行模擬預(yù)測。1.2表面網(wǎng)格剖分由于葉片三維最大尺寸為高204mm(包括冒口),長130mm,寬78mm,屬于小型鑄件,而葉片最薄的地方約為6mm,所以葉片表面網(wǎng)格剖分尺寸取1mm。而型殼是Meshcast系統(tǒng)進(jìn)行最優(yōu)化網(wǎng)格剖分,最后葉片及型殼總的有限元體積網(wǎng)格個(gè)數(shù)為580115,節(jié)點(diǎn)總數(shù)為116988,葉片及型殼的有限元網(wǎng)格剖分見圖1c。1.3邊界條件和熱物理參數(shù)的定義由ProCAST系統(tǒng)、實(shí)際測量及文獻(xiàn)參考等途徑獲得的TiAl合金及型殼的主要熱物性參數(shù)見表1。2葉片的冒口和設(shè)計(jì)首先考查澆注溫度對縮孔、縮松的影響,選取了1650、1600、1550℃3種澆注溫度,為便于比較,型殼初始溫度均為室溫,澆注時(shí)間約為1.5s。圖2為模擬結(jié)果透視圖實(shí)際澆注產(chǎn)品,由圖2可見,3種澆注溫度下葉身下部右邊壁厚處(軸線處見圖2d)均產(chǎn)生宏觀縮孔、縮松,表明單獨(dú)靠冒口進(jìn)行補(bǔ)縮無法消除葉片內(nèi)部的宏觀縮孔、縮松?？s孔、縮松分布大小隨澆注溫度的提高而減少(分別見圖2a、圖2b、圖2c的A、B、C區(qū)域),數(shù)量最少的是澆注溫度為1650℃,說明澆注溫度高,液態(tài)金屬流動(dòng)性好,冷卻速度慢更有利于補(bǔ)縮。為了驗(yàn)證模擬的準(zhǔn)確性,對澆注溫度為1650℃,型殼為室溫的工藝進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,TiAl合金在真空感應(yīng)熔煉爐(型號為ZGL0.025-100-2.5R)進(jìn)行氧化釔坩堝熔煉后,澆入氧化釔型殼中,待凝固冷卻后沿如圖2a的P1P1和P2P2位置進(jìn)行橫剖(試驗(yàn)結(jié)果見圖2d),拋光腐蝕后進(jìn)行宏觀觀察(見圖3)。由模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對照可知,縮孔縮松產(chǎn)生的位置及大小均十分吻合,表明模擬預(yù)測準(zhǔn)確可靠,參數(shù)設(shè)置正確,ProCAST軟件可以準(zhǔn)確預(yù)測縮孔、縮松的位置及大小。對此處縮孔、縮松的形成原因分析如下。從葉片凝固過程不同時(shí)刻的固相率場分布(見圖4)可知,葉片在12.4s之前,在縱橫向上都是順序凝固,沒有出現(xiàn)液態(tài)孤立域,但是到14.8s時(shí),在葉身下部右側(cè)出現(xiàn)了液態(tài)孤立域,該孤立域周圍已被固相率大于0.7(臨界補(bǔ)縮固相率)的固態(tài)或半固態(tài)金屬所包圍(見圖4e的A區(qū)),該區(qū)域剛好與圖2產(chǎn)生縮孔、縮松的A、B、C區(qū)域位置相同,表明在整個(gè)縱向上沒有實(shí)現(xiàn)順序凝固,補(bǔ)縮通道中途被阻斷形成液態(tài)孤立域,從而在孤立域處產(chǎn)生了縮孔、縮松。也說明在葉片縱向上冒口的有效補(bǔ)縮距離小于需要補(bǔ)縮的高度,所以出現(xiàn)了冒口區(qū)和末端區(qū)都作用不到的A區(qū)(見圖4e),但是由圖4可知,冒口處已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于葉身凝固,根據(jù)模數(shù)法設(shè)計(jì)冒口原則,葉片的冒口設(shè)計(jì)是合理的,沒有必要再增大冒口尺寸。所以要消除葉片的縮孔、縮松可以增加末端作用區(qū)的長度,或延長冒口作用區(qū)的長度,使得末端區(qū)端面的冷卻作用同冒口區(qū)的熱作用相銜接,以消除縮松區(qū)。根據(jù)以上分析結(jié)果,在葉片底部加一長200mm、寬80mm的銅板以增大末端區(qū)端面的冷卻效果。模擬結(jié)果見圖5?？梢?末端區(qū)有所增高,但是無法全部消除內(nèi)部縮松。此外厚銅板與薄銅板的效果相差不多,表明銅板的冷卻能力有限,厚度增加到一定程度后,作用已不明顯,此時(shí)主要是靠葉身自身進(jìn)行導(dǎo)熱和散熱,因此法再增加末端區(qū)長度。而靠近銅板的葉身薄壁拐彎處卻出現(xiàn)補(bǔ)縮不充分的缺陷,此處冷卻速度過快而補(bǔ)縮通道窄,所以產(chǎn)生了縮松(分別見圖5a、圖5b的A、B區(qū))。考慮到水冷銅板具有更強(qiáng)的激冷能力,所以對10mm厚水冷銅板進(jìn)行了模擬,結(jié)果見圖5c,可知水冷銅板的效果相對于室溫銅板沒有明顯改善,可見銅板對末端區(qū)長度的增加有限,達(dá)到一定距離后主要靠葉身導(dǎo)熱。為了降低冷卻速度,將型殼預(yù)熱到950℃,底部銅板不變,這樣既增加了末端區(qū)長度,降低葉身冷速,又對冒口液態(tài)金屬有一定的保溫作用,延長冒口凝固時(shí)間,模擬結(jié)果見圖5d,葉身宏觀縮孔、縮松全部移到冒口中,底部拐彎薄壁處的縮松也消除,顯然底部銅板+型殼預(yù)熱可以較好地消除葉片的宏觀縮孔、縮松。但是在實(shí)際試驗(yàn)時(shí)要保證銅板不受型殼預(yù)熱的影響,在真空感應(yīng)爐中難以實(shí)現(xiàn),因此需要尋求更簡潔實(shí)用的工藝?？紤]到增大冒口縱向的補(bǔ)縮擴(kuò)張角,可保持補(bǔ)縮通道暢通,實(shí)現(xiàn)順序凝固,從而增大消除葉身縮松的效果,可以沿型殼縱向外加溫度梯度。在澆注前,利用分段加熱爐膛輻射加熱型殼的上部冒口部位,冒口達(dá)到一定的溫度后,由于熱量不斷往型殼下部蔓延,從而使型殼在縱向形成自下往上正的溫度梯度(見圖6a),然后進(jìn)行澆注。3種型殼溫度梯度的模擬試驗(yàn)結(jié)果見圖6b~圖6d。隨著冒口加熱溫度的提高及型殼平均溫度梯度的提高,葉身內(nèi)部縮孔、縮松明顯減少,冒口區(qū)長度明顯增加,但是冒口加熱到1450℃,接近TiAl合金的固相線溫度(1457℃)時(shí)仍然沒有完全消除內(nèi)部縮孔、縮松,而此時(shí)高溫型殼很容易與高活性TiAl合金液起反應(yīng),表明該方法對消除現(xiàn)有葉片的內(nèi)部縮孔、縮松有一定限度。由以上模擬結(jié)果可以看出,底部銅板+型殼預(yù)熱法和型殼縱向外加溫度梯度法都可以明顯消除葉片內(nèi)部的縮孔、縮松缺陷,但各有利弊。經(jīng)分析,葉身下部壁厚處在凝固十幾秒鐘后就開始出現(xiàn)補(bǔ)縮通道被阻斷形成孤立域,該區(qū)域上部冷卻速度太快,使補(bǔ)縮通道較早閉合,從而無法實(shí)現(xiàn)充分補(bǔ)縮。因此需要盡可能降低葉身的冷卻速度,而型殼整體預(yù)熱溫度高低直接影響型殼與液態(tài)金屬的溫差,進(jìn)而影響葉片的冷卻速度。為此模擬了型殼整體預(yù)熱溫度對葉片縮孔縮松的影響,結(jié)果見圖7。由圖7可見,較低的型殼預(yù)熱溫度(600℃以內(nèi))對消除縮孔、縮松無明顯效果,但是當(dāng)型殼預(yù)熱溫度達(dá)到900℃時(shí),葉片內(nèi)部縮孔、縮松明顯減少,當(dāng)預(yù)熱溫度達(dá)到1000℃時(shí),葉片內(nèi)部宏觀縮孔、縮松已完全消除。3工藝模擬結(jié)果分析(1)應(yīng)用鑄造模擬軟件ProCAST對Ti-47Al-2Cr-2Nb合金葉片的縮孔、縮松進(jìn)行了預(yù)測,模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合,說明所建立模型及網(wǎng)格剖分合理,邊界條件及熱物性參數(shù)設(shè)置正確。(2)由型殼外加溫度梯度法、底部銅板+型殼預(yù)熱法和型殼整體預(yù)熱法的模擬結(jié)果可知,3種工藝均有顯著消除葉片內(nèi)部縮孔、縮松的作用,其中后兩者可以全部消除葉片內(nèi)部的縮孔、縮松。底部銅板+型殼預(yù)熱法具有稍低的型殼預(yù)熱溫度,可減少與熔體反應(yīng)的傾向,但是實(shí)際操作較難實(shí)現(xiàn);型殼整體預(yù)熱法雖然型殼預(yù)熱溫度稍高于底部銅板+型殼預(yù)熱法,但是可