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TC4合金立式离心充型凝固行为研究

贾丽敏  
【摘要】:本文采用实验研究与计算机模拟相结合的方法,研究了钛合金在立式离心力场中充型与凝固行为。重点研究了TC4(Ti-6Al-4V)合金在立式离心力场下石墨铸型中浇铸时,铸件组织与力学性能随离心力及铸件模数(冷却速度)的变化规律,获得以下研究结果: 对本课题组开发的铸件充型及凝固过程数值模拟集成软件LXCASM-3D进行了改进,加入了包括Coirolis力的计算等在内的功能。并应用该软件通过计算机模拟的方法研究了钛合金简单平板件以及多组薄壁铸件在立式离心力场中充型与凝固行为,提出了为得到高质量铸件所需要的合理浇铸工艺。研究结果表明:当铸件只通过一较短的内浇口与直浇道直接相连且铸件具有较大的横截面时(如在水平放置的简单平板件中),由于Coriolis力的作用,铸型的旋转方向对合金熔体充填行为产生较大的影响。为了减少铸件中缺陷的产生及改善铸件质量,应该选择可避免直接充型的浇铸系统设计方案;模拟计算结果表明:对于多组薄壁件,为了达到平稳及逐层的充填效果,利用旋转铸型系统中的离心力进行反向充填的浇铸工艺是一种比较合理的立式离心铸造工艺方案。 实验研究了石墨型立式离心浇铸钛合金阶梯及楔形铸件时,铸型转速及离心力对铸件内部缺陷形成的影响,以及对阶梯铸件长度方向上尺寸收缩率的影响。结果表明:随着重力系数的增加,TC4合金离心浇铸的阶梯铸件中宏观孔洞率呈指数方式明显降低,当铸件所处位置的重力系数大于15时,基本上无明显的孔洞产生;随重力系数的增加,铸件中微裂纹与微孔率相对含量呈减少趋势,但夹杂物相对含量却明显增加;充型顺序是影响铸件质量的又一重要因素,充型路径较长和充型早的铸件中更容易卷入夹杂与气泡等缺陷;在浇铸系统同一位置处,阶梯铸件长度方向上尺寸收缩率随离心转速的增加而明显减小,在同一铸型转速下,与离心力相比,铸型的冷却能力对铸件尺寸收缩率的影响更明显一些。 TC4合金在石墨型中立式离心浇铸时,铸件模数/冷却速度及离心力对铸件组织尺寸与力学性能影响如下所述:离心力场下凝固成形的TC4铸件的微观组织仍然呈现片层组织。离心力的增大及模数的减小(冷速增加)均有利于细化铸件的晶粒与片层组织,使铸件的拉伸强度与屈服强度有所提高。其中,铸件模数对组织及性能的影响更明显一些。对实验测得的结果进行统计分析并经多参数回归处理后,得到了铸造工艺参数,组织尺寸(包括晶粒尺寸及α/β-片层厚度)及力学性能之间的经验公式。 作为与钛合金在不同转速下石墨型中浇铸实验的对比分析,本文研究了TC4合金在钢型及陶瓷壳型中分别进行阶梯件重力浇铸及多组薄壁铸件离心浇铸时铸件组织与性能的变化规律。结果表明:TC4合金在钢型中重力浇铸时,铸件晶粒尺寸及片层厚度随冷却速度的变化规律与其在石墨型中浇铸时变化规律基本一致。由此表明:当合金成分不变时,冷却速度是影响TC4铸件组织尺寸的主要因素。可将两种铸型中得到的实验数据放在一起共同表征TC4合金在重力场中浇铸时组织尺寸随冷却速度变化关系。对于陶瓷壳型中TC4合金多组薄壁离心铸件,当铸件模数较小时,如:0mmM7.00mm,模数大小对铸件凝固过程冷速影响比较显著,当M7.00mm时,铸件冷却速度随模数变化并不明显。TC4合金在陶瓷型及石墨型中离心浇铸时,所得铸件微观组织形态均呈现片层状的“魏氏组织”。在两种铸型材料中成形的离心铸件,当铸件所受离心力相等时,其晶粒尺寸及片层厚度均随模数的增大而增加,且陶瓷型中铸件模数对其组织尺寸影响更明显。当铸件模数相等时,石墨型中铸件的晶粒尺寸及片层厚度比较细小;铸件抗拉强度均随模数的增大而减小,且陶瓷型中铸件模数对其抗拉强度的影响更明显。铸件模数相等时,石墨型中离心凝固成形铸件的抗拉强度要更大一些。


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