SiC陶瓷/K4169合金复合铸件铸造工艺模拟研究

【摘要】：本文以SiC陶瓷/K4169合金复合铸件作为研究对象,在浇注实验基础上,使用有限元模拟方法探究铸造工艺对SiC陶瓷/K4169合金复合铸件铸造过程中流场、温度场及应力场的影响,优化SiC陶瓷/K4169合金复合铸件一体化成形的工艺。通过对SiC陶瓷/K4169合金复合栅格翼铸件铸造成形过程的模拟研究,丰富复合构件成形理论,为耐热、承载一体化成形栅格结构在航天航空方向的实际应用提供理论和实践依据。基于有限元方法,对SiC陶瓷/K4169合金复合铸件铸造成形过程中的多物理场(流场、温度场、应力场)进行分析。结果表明,SiC陶瓷在与金属液接触后,表面温度在极短的时间内升至浇注温度附近,而陶瓷内部升温相对较慢,在陶瓷内部出现温度分布的不均匀。在凝固初期,陶瓷端温度陡升以及内部的温度梯度,导致陶瓷热膨胀不均匀产生热应力;而后随着温度的均匀化和复合铸件的冷却,热应力开始降低;当金属凝固达到一定强度,由于陶瓷与金属在弹性模量和热膨胀系数上的显著差异,金属凝固收缩引起的热应力逐渐增大;最后铸件内仍具有较大的残余应力。对浇注温度、浇注速度、预热温度和中间层厚度分别设置了5个水平数,分别探究各因素对铸造过程的影响。结果表明,浇注速度主要影响型腔内流动状态和浇注时间,随着浇注速度从0.1m/s增加至0.5m/s时,内浇口处出现“漩涡”状,流速由0.3m/s提高到2m/s,充型时间由7s降低至1.48s;浇注温度对金属部分的凝固时间和状态有明显影响,但是对凝固初期SiC陶瓷端的热应力影响不大,故对浇注温度的选择主要考虑K4169合金的铸造工艺性;预热温度起到了避免SiC陶瓷温度突升的作用,同时缓解SiC陶瓷内部的温度梯度,预热温度每上升100℃,陶瓷内部的平均温度梯度下降约3℃/mm,因此对凝固初期陶瓷端的热应力缓解较为明显;中间层的添加缓解了连接界面的残余应力,通过对三处易产生应力集中的区域进行观察,效果最好的中间层厚度为0.2mm。通过铸件残余应力峰值的极差分析,各因素的影响大小排序是:预热温度中间层厚度浇注温度浇注速度。本文最终确定工艺参数为:浇注温度1450℃,浇注速度0.2m/s,预热温度1000℃,中间层厚度0.2mm。使用熔模铸造进行验证实验,得到SiC陶瓷/K4169合金复合铸件,复合铸件结构完整,无明显缺陷。