镍基高温合金调压铸造非线性压力曲线设计与验证.pdf
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1、第 15 卷 第 9 期 精 密 成 形 工 程 2023 年 9 月 JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING 141 收稿日期:2023-05-17 Received:2023-05-17 基金项目:国家科技重大专项(J2019-0004-0117);航发产学研项目(HFZL2020CXY023)Fund:National Science and Technology Major Special Funding Project(J2019-0004-0117);HangFa Industry-University-Research Cooperatio
2、n Project(HFZL2020CXY023)引文格式:王迪,隋大山,李九霄,等.镍基高温合金调压铸造非线性压力曲线设计与验证J.精密成形工程,2023,15(9):141-151.WANG Di,SUI Da-shan,LI Jiu-xiao,et al.Design and Verification of Nonlinear Pressure Curve for Pressure Regulation Casting of Nickel Base Super-alloyJ.Journal of Netshape Forming Engineering,2023,15(9):141-15
3、1.镍基高温合金调压铸造非线性压力曲线 设计与验证 王迪1,隋大山2a*,李九霄1*,董安平2a,2b,刘明亮1,齐飞3,易出山3,雷四雄3,史志武4,张国栋4(1.上海工程技术大学 材料科学与工程学院,上海 201620;2.上海交通大学 a.上海市先进高温材料及其精密成形重点实验室 b.金属基复合材料国家重点实验室,上海 200240;3.中国航空发动机集团南方工业有限公司,湖南 株洲 412000;4.中国航发商用航空发动机有限责任公司,上海 200241)摘要:目的目的 针对变截面铸件在调压铸造充型阶段出现充型不稳定这一问题,结合数值模拟分析,提出非线性压力曲线的设计方法。方法方法 基
4、于 ProCAST 软件对不同壁厚和不同截面比的模型进行模拟,研究在不同加压速度和不同型壳预热温度下不同壁厚模型浇口速度的变化情况,以及在不同加压速度下不同截面比模型浇口速度的变化情况。针对数值模拟结果提出变截面模型工艺优化方法,设计特征模型进行数值模拟验证;推导在实际调压铸造充型过程中加压速度与充型速度的关系,并利用水力学模拟进行验证。结果结果 用非线性加压进行数值模拟,相对于线性加压充型过程,其浇口速度普遍呈下降趋势,其中最大浇口速度由 0.29 m/s下降到 0.2 m/s,降幅为 45%;在变截面前后,浇口速度呈周期性波动,说明非线性加压充型较为稳定;对推导出的加压速度计算公式进行了水
5、力学模拟实验,从充型形态可以看出,在变截面处水流波动平稳,验证了加压速度计算公式的正确性。结论结论 通过研究变截面突变浇口速度的变化情况,提出了非线性加压方法,有效解决了调压铸造过程中出现的金属液飞溅、振荡、充型不稳定等问题,不仅提高了铸件的成品率,而且优化了调压设备的精准控压。关键词:调压铸造;数值模拟;非线性加压;浇口速度;加压速度;水力学模拟 DOI:10.3969/j.issn.1674-6457.2023.09.017 中图分类号:TG244;TG249.5 文献标识码:A 文章编号:1674-6457(2023)09-0141-11 Design and Verification
6、of Nonlinear Pressure Curve for Pressure Regulation Casting of Nickel Base Super-alloy WANG Di1,SUI Da-shan2a*,LI Jiu-xiao1*,DONG An-ping2a,2b,LIU Ming-liang1,QI Fei3,YI Chu-shan3,LEI Si-xiong3,SHI Zhi-wu4,ZHANG Guo-dong4 (1.School of Materials Science and Engineering,Shanghai University of Engineer
7、ing Science,Shanghai 201620,China;2.a.Shanghai Key Lab of Advanced High-temperature Materials and Precision Forming,b.State Key Lab of Metal Matrix Composites,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China;3.AECC South Industry Co.,Ltd.,Hunan 高温合金成形 142 精 密 成 形 工 程 2023 年 9 月 Zhuzhou 412000,Chi
8、na;4.AECC Commercial Aircraft Engine Co.,Ltd.,Shanghai 200241,China)ABSTRACT:The work aims to propose a design method of nonlinear pressure curve by combining numerical simulation anal-ysis to solve the problem of unstable filling of variable section castings in the filling stage of pressure regulat
9、ion casting.The model with different wall thickness and different section ratio was simulated based on ProCAST software,and the gate velocity changes under different pressure rates and different shell preheating temperatures were studied under different wall thickness,and the gate velocity changes u
10、nder different section ratio models under different pressure rates.According to the numerical simulation results,the process optimization method of variable cross section model was proposed,and a characteristic model was designed for numerical simulation verification.The relationship between the pre
11、ssure rate and the filling velocity in the ac-tual pressure regulation casting process was deduced and verified by hydraulic simulation.The numerical simulation with non-linear pressure curve showed that compared with the linear pressure filling process,the gate velocity generally decreased,and the
12、maximum gate velocity decreased from 0.29 m/s to 0.2 m/s,with a decrease of 45%.The gate velocity fluctuated peri-odically before and after the variable section,indicating that the nonlinear pressure filling was stable.The hydraulic simulation experiment was carried out on the deduced formula of pre
13、ssure rate.It can be seen from the filling shape that the water flow fluctuated smoothly at the variable section,which verified the correctness of the formula.The nonlinear pressure method pro-posed by studying the change of the velocity of the variable section gate effectively solves the problems o
14、f metal liquid spatter,shock and filling instability in pressure regulation casting.It not only improves the yield of castings,but also optimizes the pre-cise pressure control of the pressure regulation equipment.KEY WORDS:pressure regulation casting;numerical simulation;nonlinear compression;gate v
15、elocity;pressure rate;hydraulic simulation 镍基高温合金具有良好的抗氧化性、耐腐蚀性、稳定性和可靠性,得到了广泛的应用1-2。在重要发动机的热端部件中,约有 1/4 为镍基高温合金铸件3,现阶段使用比较多的是 K4169 高温合金,该合金是由析出相 和 强化而成的铁镍铸造高温合金,在253650 下具有优异的组合性能4,所以一般发动机的热端机匣多使用 K4169 高温合金铸成。随着我国工业化的迅速发展,对高温合金铸件的需求日益增加,传统的重力铸造技术已经不能满足目前的需求,尤其是精密铸件正向大型化、复杂化、薄壁化、智能化方向发展5。调压铸造作为反重力铸
16、造方法之一,功能最为强大,与其他反重力铸造相比,其充型稳定性、充型能力、顺序凝固条件均更优6-9,可铸造壁厚更薄、棒径更小且力学性能更好的大型复杂铸件。目前,上海交通大学已经搭建了全国首台大型智能化调压铸造设备,与其他反重力铸造设备相比,该设备可以精准控压,不仅可以提高铸件的质量,还可以提高原材料的利用率,降低成本10-12。镍基高温合金密度大、黏度大、浇注温度高,与其他合金相比,其铸造过程需要更大的压力,这对控压精度、控压方式提出了更高的要求。现阶段,铸件的轮廓尺寸越来越复杂,变截面越来越多13-15,浇注难度增大,传统的加压方式已经不能保证铸件的质量。徐杨16研究发现,对于截面变小的铸件,
17、金属液的充型速度由小变大,易发生卷气等现象。黄志豪17研究了反重力铸造临界充型速度对充型液面平稳程度的影响,研究表明,截面长宽比会影响充型氧化膜的卷入过程。刘闪光18研究了反重力过程中铸件型腔变截面的变化对充型速度的影响,并通过水力学模拟实验进行了验证。吕衣礼等19通过水力学模拟实验总结了反重力充型过程中流场形态的形成原因和影响因素。曾建民等20通过正交实验发现浇注温度和加压速度是影响调压铸造充型能力的主要因素。以上研究表明,金属液充型的平稳性与反重力铸造工艺密不可分,调压铸造工艺中最为关键的因素是加压速度。现阶段,大多数的调压铸造充型过程采用线性加压21,通常认为,匀速加压可以平稳充型,但这
18、并没有考虑铸件型腔内的变截面。浇口处是型壳与升液管连接的地方,它可以反映整个充型过程中金属液的射流程度18,此处的充型速度也叫浇口速度。本文所指的浇口位置是浇口处最中心处的位置,基于ProCAST 模拟软件通过浇口速度来衡量充型的平稳性,研究不同壁厚和不同截面比的模型在充型过程中浇口速度的变化情况,提出了非线性压力曲线的设计方法,并通过数值模拟进行了验证,根据伯努利方程推导出加压速度的计算方法并通过水力学模拟进行了验证。1 实验方法 1.1 模拟实验设计 在反重力熔模铸造过程中,影响铸件质量的因素往往与工艺参数的设定有关,尤其是大型薄壁铸件,第 15 卷 第 9 期 王迪,等:镍基高温合金调压
19、铸造非线性压力曲线设计与验证 143 型壳的预热温度与浇注温度会影响凝固时间,凝固过快会影响充型平稳性,进而导致铸件产生一系列的缺陷。与重力铸造相比,调压铸造最关键的工艺参数是加压速度22,目前没有准确的方法确定加压速度,而且多数调压铸造都采用线性加压工艺,这对复杂铸件来说常常会出现充型不平稳、浇不满、熔体流场紊乱等问题23。为确定反重力铸造充型过程中变截面模型对充型速度的影响,本文设计了 2 组模拟实验,分别是加压速度对不同壁厚模型的影响和加压速度对不同截面比模型的影响,模拟在不同条件下浇口处的充型速度。设计了 3 个不同壁厚和 3 个不同截面比的薄板模型,如图1所示。调压铸造不同加压速度(
20、4、6、8 kPa/s)下的工艺实验表如表 1 所示,总共进行 18 次模拟实验。由于薄板模型壁厚太小,所以在 19 组模型中,每个壁厚模型对应 3 个不同的型壳预热温度,分别为1 100、1 200、1 300,浇注温度均为 1 500。1018组模型的型壳预热温度设为 1 000,浇注温度设为1 500。通过压力公式计算出充型压力为 21.76 kPa,由于在充型过程中会有压力损失,所以实验压力值设为 24 kPa,充型时间根据表 1 中不同的加压速度来确定。1.2 模拟工艺参数设定 选用不同壁厚、不同截面面积的 K4169 高温合金薄板模型进行模拟。利用三维建模软件 SolidWorks
21、建立模型并输出为.STEP 格式,然后导入到 ProCAST的 Mesh 模块中进行网格划分24-27。对于 ProCAST数值模拟,待网格划分的精度会直接影响充型质量。对于 5 mm 以下的薄板,在 Mesh 模块中的网格尺寸要取 3 mm 以下。待网格划分检查无误后进入 Cast后处理模块,设置重力方向为 y 轴负方向,选用的合金材料为自建的 K4169 合金,其化学成分如表 2 所示,型壳材料设为 Silica Sand28。合金的初始温度设为 1 500,壁厚小于 5 mm 的薄板型壳预热温度高于 1 100,其他薄板型壳预热温度为 1 000。铸 表 1 调压铸造不同加压速度的工艺实
22、验表 Tab.1 Pressure regulating casting process test of different pressure rates No.Wall thick-ness/mm Pressure speed/(kPas1)Shell preheat-ing tempera-ture/Section ratio 11.5 4 1 100 21.5 6 1 200 31.5 8 1 300 43 4 1 200 53 6 1 300 63 8 1 100 75 4 1 300 85 6 1 100 95 8 1 200 10 4 1211 6 1212 8 1213 4 15
23、14 6 1515 8 1516 4 11017 6 11018 8 110 图 1 不同壁厚与不同截面比模型尺寸 Fig.1 Different wall thickness and different section ratio model size 表 2 K4169 合金化学成分 Tab.2 Chemical composition of K4169 alloy wt./%C Cr Ni Mo Al Ti Nb Fe Co 0.03 18.81 52.27 3.12 0.53 0.93 5.12 19.01 0.09 Ta B Zr Mn Si P S Cu Others 0.002
24、0.002 0.001 0.02 0.04 0.005 0.002 0.01 0.001 7 144 精 密 成 形 工 程 2023 年 9 月 件与型壳界面间的热交换系数设为 IN738-Mullite,型壳外表面边界条件设为空冷 20 29,充型时间为 6 s左右,其余参数均采用默认。压力大小根据模型的高度计算,加压速度过快或过慢都容易产生浇注缺陷30。1.3 合金性能参数 本文K4169合金的性能参数是通过JMatPro软件计算得到的31,其密度和导热系数如图 2 所示。合金的固相线温度为 1 145,液相线温度为 1 360,由图 2 可以看出,合金的密度随着温度的升高而下降。在固相
25、线以下,密度下降的趋势较为缓慢;在固液相线之间,密度下降的趋势加快;在液相线以上,密度下降趋势接近线性。合金导热系数的变化分为 2个阶段:在 1 200 以下,随着温度的升高,材料的导热系数可以近似看作线性增长,在 1 220 时达到最大值;之后,随着温度的升高,导热系数逐渐下降,并在 1 360 时由下降趋势改为上升趋势。2 型腔截面突变对浇口速度的影响 2.1 型腔壁厚 在数值模拟充型过程中,金属液从型底到型顶流经不同壁厚模型的浇口速度变化情况如图 3 所示。图3a 为壁厚 1.5 mm 的模型在不同加压速度下浇口速度的变化情况,可以看出,加压速度为 4 kPa/s 时浇口速度的变化趋势与
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