数值计算Procast在铸造过程中的应用

1、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，然而大量的树状出现在离心铸

2、造中，这是由于离心铸造件表面的快速冷却速率过快导致。1. 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

3、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。2. 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：是密度；u、v、w是速度向量；t是时间；是液态金属动态粘度；gx、gy、gz是分别在

4、x、y、z重力加速度向量；P是压力；Cp是液态金属的比热；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 J

5、IC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

6、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。3. 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

7、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。3.2铸造缺陷TiAl合金相比Al合金，其可铸能力低且凝固时收缩率大。这不仅导致部件表面上浇不足，还频繁导致収缩孔和裂纹缺陷。这次研究中对涡轮叶片上收缩与裂纹缺陷的学习，采用模拟和真实实验来验证

8、。Fig 5 显示収缩孔的位置分布。Fig 5a和5c是模拟结果，5b是X-ray检测真实的铸件零件。重力铸造模拟的图像(Fig 5a)展示了孔主要集中在叶片的主体的中部和接缝处。气孔缺陷在X-ray检测照片里由红色箭头标出。实际孔分散在叶片上的位置，基本上与模拟的结果相一致。Fig 5c展示了収缩孔的离心铸造的模拟结果，主要分散在叶片槽上。真实的X-ray探伤图片(Fig 5d)证实了模拟的可靠性。重力铸造的叶片上的缩孔缺陷比离心铸造的更为分散。Fig 6展示了有效的应力模拟结果和组成中的裂纹缺陷。Fig 6a和c是模拟的结果，Fig6b是真实的叶片的荧光分析图片。由红色箭头标出的亮的部分是

9、裂纹缺陷。重力铸造模拟有效压力的结果展示在Fig 6a，表示应力主要集中在大型得变形件上。例如连接的位置，叶片/平台，和最薄的后缘。荧光分析被实施用来确认表面缺陷和重力铸造结果，如图Fig 6b所示。裂纹主要集中于连接的位置以及后缘的下半部分。在离心铸件（Fig 6c和d），裂纹少于重力铸件且存在于叶片与平台的连接位置。总的来说，离心铸造涡轮叶片有更完整的表面、更少的内部缺陷和外部缺陷。例如，収缩孔和裂纹，相比于那些重力铸造的叶片。Fig5収缩孔的分布：a.c.数值模拟结果 b.d.真实叶片的X-ray分析a.b.重力铸造 c.d.凝固铸造3.3微观结构Fig 7a和b展现了重力铸造叶片的边际

10、和中心的微观结构，各自的。两者之间没有明显的差异。例如，将近层状的微观结构由层片团（大小约70m），B2和等轴的分布在层状团边界。在Fig 7a和b上由红色箭头标记的像硼化物一样的明亮带状位于层间。Fig 7c和d是离心铸造叶片边缘和中心的微观结构，各自地。B2像如图Fig 7c分散在层内而不是在片层界面。再黑色条件对比下，树状的相出现在硼化物沉积的层片界面处。层片团的近层的微观结构尺寸约50m如图Fig.7d。离心铸造有更小的层片团尺寸，从边缘至中心有不同的微观结构由于冷却速率的增大。离心转动速率增大将会增大相同界面热传递系数包括熔融的金属与模具，导致冷却速率的增大。总的来说，重力铸造叶片从

11、边缘到中心的微观结构是好的，没有明显的改变。离心铸造叶片的微观结构比重力铸造的更好，然而在离心铸造叶片的边缘树状的从中偏析出来，这是由于过快的离心铸件表面冷却速率过快。Fig6应力集中与裂纹a.c.模拟结果 b.d实际叶片的荧光分析a.b.重力铸造 c.d离心铸造4结论进行低压下高含量Nb-TiAl合金在重力和离心模具铸造过程的模拟。微观结构和铸造缺陷包括缩孔和裂纹的分析。模拟与真实实验结果表现出良好的一致性，并得到如下结论：(1) 离心铸造比重力铸造的叶片有更完美的表面。在重力铸造过程里，最薄的尾边缘最后填充，导致浇不足的缺陷。(2) 模拟和实验的缩孔结果表明在重力铸造中的缩孔缺陷会比离心铸造的叶片更多、更分散(3) 在重力铸造叶片，应力和缺陷主要集中在大型件的变形