TiAl基合金排气阀吸铸充型和凝固过程中的模拟

辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸1TiAl 基合金排气阀吸铸充型和凝固过程中的模拟摘 要熔模铸造（ISC ）代表了一种廉价和有前景的制备 -TiAl 基合金汽车排气阀工艺路线，但是 ISC 在模具充型和凝固的过程中金属流动的温度变化信息是薄弱的。ISC 过程是一种按顺序耦合渗流数学-热模型，基于商业有限体积/有限差分码流-三维和有限元代码软件。它在填充和凝固阶段计算温度场流动术语，包括气泡和表面的空气夹带在充型和凝固过程中形成的缺陷的缩松预测，并对这些缺陷形成的原因进行了分析。它介绍了填充压力差控制方法和模具对气泡和表面空气夹带行为的影响。通过改变压力差的方法从普通吸铸件到“空气泄露”吸铸，降低空气泄露率，有效地消除气泡，并显著的减少表面的空气夹带。用正方形浇道模具使表面的空气夹带减少到最低水平。最后，对模拟结果进行了进一步的验证，实现了对排气阀的吸水模拟和实验。关键词： 填充和凝固；TiAl；排气阀；吸铸；模拟辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸21 引言随着提高能源效率的需求不断增加，为了减少汽车污染物的排放，发动机已导致严重考虑用于制造排气的轻质材料阀门 1-4。对于这样的应用，由于其低密度，高强度和刚度，高温高强度保持性和良好的抗氧化性 5-7，-TiAl 基合金是强有力的候选。与热机械加工和粉末冶金阀门制造技术相比，熔模铸造是高精度的经济处理技术 8,9。除了熔模铸造的优点，ISC 的优点包括更好地充型铸件晶粒尺寸，减少夹杂物和更好地改善工作条件，因此 ISC代表了一个有前景的生产 -TiAl 基合金的工艺路线。压铸和凝固过程中的金属流动和温度变化对铸件质量无疑具有重要意义。Kashiwai 12等人利用 X 射线平片直接观察铸型充型，对铸造铝合金 AC4C 真空抽吸的铸造工艺分别在两个不同的吸入压力下和三种不同的减压速率进行。结果发现，较高的吸气压力和减压速度，将熔融金属自由表面更加动荡，导致气体截流发生较早，数量较大的卷气、浇不足的风险较高。Giese 13等人基于合金矩形板 A206 的特点进行研究充型和凝固的一系列铝真空吸铸实验，以监测灌装率下各种吸压力的分布。实验结果还表明吸压力分布对模具填充的影响是显著的。然而，一个最近文献检索表明，只有微薄的细节信息的金属流动和温度的变化过程中模具的填充和凝固过程一直持续。在各种铸造过程中，由于数值模拟不仅提供了一个洞察的充型和凝固过程，而且也降低了铸造成本和缩减了试制周期 14-16，顺序耦合渗流数学热模型，基于商业有限体积/有限差分编码流三维有限元代码PROCAST，研究了 ISC 对 -TiAl 基合金汽车排气阀的工艺。通过计算得到了充型和凝固过程中的流场和温度场。三种含气泡和表面的空气夹带的潜在缺陷发生在充型和凝固过程中形成的缩松预测。在充模模拟过程中，考虑了填料压力差控制方法和模具对气体气泡和表面引风行为的影响。最后对水模拟和吸铸实验的结果进行了充型和凝固模拟的评价。辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸32 实验2.1 负压铸造实验图 1（a）说明用石墨管密封在一个中空的起升杆的一端的投资模具的原理图。这是由一个灵活的软管通过控制阀和一个煤气罐（0pa）连接到真空系统的。装有 7kg 熔料的Ti45Al8NbiB(%)合金和 25kg 容量的 CAO 坩埚 TiAl 汽车阀门模具（图 1（b） ）与热绝缘装置（图 1（c） ） ，其中包括一个开放的不锈钢桶和一些石英砂，安装在真空吸铸中，均预热到 873K。经过真空熔化室和吸铸室后，他们便充一部分 80000Pa 氩气的压力，使填料压差熔炼室和油箱之间等于 80000Pa。一旦通过感应线圈加热熔融金属达到一个稳定的空间温度 1953k，吸铸可向下移动到熔融金属管和一个预先设定的压力差之间，内部和外部的熔模模具是建立在通过切换控制阀和调节阀的空气泄露流量通过这些阀门的装置，以吸取熔融金属上坡。提升管在融化的金属中保持了足够长的时间，称为压力保持时间，这样模具就能完全充型，铸件完全凝固；然后将它从熔融金属中取出，将残余熔体在模腔中融化到坩埚中。铸件后，铸件 TiAl 合金是炉冷却。熔模铸造由喷砂小心取出。用一个复杂的三维x 射线检系统 GE SEIFERT DP435 是用来检查气孔隙度的铸件。成品铸件都是从中间纵向部分削减了切割线，检测缩松。图 1 吸铸设备: （a）吸铸炉略图； （b）瓷砖汽车阀的模具；（c）模具隔热装置辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸42.2 数值模拟商业的通用计算流体动力学（CFD）码流-3D 用在这里以模拟的 TiAl 汽车阀的吸铸，解决了联接质量，动量，基于有限体积上能量方程/有限差的模具填充法（FDM） 17。流体（VOF）方法的体积采用自由表面动力学准确地采集。层流模型和重整化群 (RNG）模型分别被用来描绘模具填充的层流和湍流特性。和该 RNG 模型描述的低强度的湍流流动和流具有强剪切区域，这是在本研究关注的情况下，比常用的标准 k- 模型 18更精确。至于气泡，被认为是在（VOF）法的组合中简单绝热泡沫模型带阀模型实施模拟的动态行为 19。由于液体相的密度数量级比气相的高三个数量级，气泡可以合理地视为充满理想气体以均匀压力和温度，并且气泡内部的气体运动空隙区域被忽略。借助于一个标记变量 F 计算单元中液体的体积分数时，气体在 0 和 1 之间的范围内，气泡的尺寸和形状可以被选自 F 的相邻细胞的值确定。F 的控制方程如下(1)(tUF这是用来促进气泡-液体边界，其中 U 是液体速度矢量，此外气泡的渐进变形假定等熵使得 压力 P，气泡内可能与气泡体积 V，由PV = const (2)其中 是在恒定的体积下恒定的比热容量的比率压力，一个聚结的气泡的压力用容积加权先前分离的气泡的压力来实现。FLOW-3D 软件的瓣膜模型可以用于绝热泡沫泄于外部的模具。阀可以被放置在模具中的任何位置。假定疏散流动保持不可压缩和稳定，通过阀的体积流量可以由标准制剂得到:(3)refPARCQ其中 Q 是体积流量；A 是横通气孔的截面面积；，C 和 分别是压缩因子，摩擦损耗系数和密度；P ref 是外部参考压力。辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸5空气夹带是在金属脚轮使用浇道系统中的另一个缺点，在液体表面的空气夹带来自湍流漩涡的思想会把上面的小的液体元素放在一个自由表面上，可以抓住空气，把它带回到液体中 20。基本夹带过程是基于重力和表面张力的稳定和表面动荡的破坏作用之间的竞争。湍流传输模型中特征尺寸，湍流漩涡的长度推断为(4)31.0KL其中 K 是湍流动能， 是湍流散热功能。我们用这个尺度来描述表面稳定的能源。每单位体积，E stab 稳定动能与液体元件升到某一高度 L 相关，并与基于 L 的曲率表面张力能量有关，由下式计算(5)Eg1stab其中 1 是液体的密度，g 是重力垂直于自由表面的成分， 是表面张力系数。作为空气夹带发生的每单位体积，E turb=1K，湍流动能必须比 Estab 大。每单位时间夹带空气的量 V，应该正比于表面积 As，和平均水平表面之上的干扰可被配制成的高度：(6)1stabtursair2）（ ECV其中 Cair 为比例系数（C air 等于 0.5） 。使用 Pro CAST 软件是基于有限元法（FEM ）进行研究的，TiAl 汽车阀的吸铸和凝固过程中解决了质量，动量和能量守恒方程之间的耦合。根据吸铸过程中适当的压力保持时间，其定义为折衷铸造完整性和排出放回坩埚中的熔融金属的重量，必须首先以预测的结果来确定空隙度。通过排水算法在模腔中的装置，降低到附图所限定的固体部分的所有剩余的液体（在本研究中附图取 0.7 的值） ，并连接到所述提升管的入口区域，将在由DRAINTIME 的值指定的时间删除，由此可确定适当的压力保持时间。这期间的 TiAl 汽车阀凝固过程中形成的收缩孔隙率包括大孔和微孔，以及它们所使用的等时线函数和丹山准则函数分别建模15 。辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸6图 2（a）示出了用于 TiAl 金属汽车阀模具填充仿真完整的几何结构。为了提高模拟精度，坩埚被作为很少能够在某些以前的出版物 12.16.21中看到的器具。在一个短的填充时间，开放的不锈钢桶和石英砂的影响下，对模具填充模拟的影响可以忽略不计。气体通道的体积等于吸入管之间的连接管和在吸铸炉中的控制阀（图 1（a） ）之和。几何的网眼设置于图 2（b）中给出。在一个锯齿形接近实型铸造的轮廓中，几何图形被分为砖型正交元素。元素的总数为 2406400，平均每个单元尺寸为 0.0025m。啮合后，其它模拟也建立完成，其中包括施加于各区域的初始条件，边界条件和材料定义。初始条件和边界条件的模具填充模拟可以用图 2（c）概括。所需的模具填充仿真的初始条件的细节在表 1 中列出。最初在坩埚内的熔融金属停滞不前。无滑移条件和自由滑移条件组成浇注系统内墙流场的边界条件，分别包括石墨管和投资模具，并在熔融金属的自由表面。前面提到的瓣膜模型被安装在气体通道的上表面中心到气体释放到模具的外面位置。图 2 几何（a） ，FDM 网格（b）和初始边界条件（c）对充型模拟多弧离子镀汽车阀门根据式（3）为了计算体积流量阀，两个重要的参数一个定义为 Q,体积流速，P ref 为 0 Pa；另一个是损耗系数 Cval 采取的形式如下辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸7(7)CAval两种情况可以满足 Cval 的确定 :第一个是在一般吸铸，标称直径 0.0008m 的全开球阀放在绝热气泡投资模具的外部，因此排气口的横截截面面积 A 是一个已知量，C val 可以由式（7）直接算出（ 和 C 都取 1） ；第二个是在漏气吸入铸造 22，销阀，球阀和流量计用来操控空气的泄露流率，因此体积流量 Q 是一个已知量而不是未知量， Cval 可由式（3）和（7）推导：（8）refvalPC考虑换热在充型过程中，钛铝合金熔化的金属之间的界面传热系数，浇注系统组件和周围的环境应被设置。由于实际的吸入铸造，氧化钙坩埚和气体通道作为绝热体。接触热传导在熔融金属和浇注系统组件之间的界面占据。热通量 q 通过这个接口是根据计算（9）21T-hqh 是对流传热系数，T 1 是熔融金属表面的温度，T 2 是浇注系统组件内墙的温度。自由表面的传热的熔融金属和浇注系统的外墙组件周围环境发生自然对流和辐射。自然对流的传热系数和辐射边界条件应用于表面热通量 q，由下式给出：（10）4343hqTTh是对流传热系数（大约 10Wm-2K-1） ，T 3 是熔融金属的自由表面浇注系统部件的外壁温度；T4 是环境温度， 是斯蒂芬 -玻尔兹曼常数（5.6710 -8Wm-2K-4), 是熔融金属浇注系统组件的热辐射率。浇注系统部件之间的界面传热系数所用 FLOW-3D 位默认值。表 2 总结了对流热传递系数的细节和热辐射率需要从审查当前文献 23-30的模拟。基于商业代码 ProCAST 的顺序耦合热模型，研制了模拟汽车阀门钛铝基合金的凝固过程。这个概要文件的内部和外部之间的压力差由模腔的模具填充模拟，采用作为入口压力辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸8边界条件凝固模拟的输入。由于这个原因，氧化钙坩埚被排除在几何的凝固模拟外，其中包含石墨提升管，投资模具中，开口的不锈钢槽填充有石英砂，从图 3（a）可明显看出。几何自动网状使用不规则的三角形元素，最小长度的入口区域立管和阀门领域是0.001m（图 3（b） ） 。最终网由 1348765 个元素和 283180 个节点组成。图 3（c）提出了凝固过程模拟的初始条件和边界条件。所需的凝固过程模拟的初始条件的详细情况在表 1 中也给出了。速度场的边界条件的内墙浇注系统组件和自由表面的熔融金属也按照模具的模拟填充。表 1 初始条件应用于吸钛铝合金的铸造模拟汽车阀门表 2 界面传热系数用于吸铸钛铝合金汽车阀的建模正如上面所讨论的，入口压力来自模具填充建模的结果，入口钛铝合金熔化金属的温度固定到 1953K。除了钛铝合金熔化的金属之间的热交换，浇注系统组件和周围的环境被称为模具填充模拟，应考虑保温设备之间的传热和周围的环境。自然对流和辐射传热都负责外墙保温设备周围的环境。在此过程中的热通量也可由式（10）表征。不锈钢桶和硅砂的热发射率已经列于表 2。辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸9图 3 几何（a） ，有限元网格（b）和初始边界条件（c）钛铝合金的凝固过程模拟汽车阀门由于在实验汽车阀的吸引铸造方法中采用的材料的行为进行建模，在宽的温度范围内，这些材料的性能的温度依赖性必须包含尽可能多与可用的数