高溫合金擴壓器整體精鑄過程的數(shù)值模擬及工藝優(yōu)化

孫長波，尚 偉，周君華，李 波，李寶峰

(中航工業(yè) 沈陽黎明航空發(fā)動機(集團)有限責(zé)任公司，沈陽 110043)

某航空發(fā)動機擴壓器部件為該機中形狀最復(fù)雜、鑄造難度極高的K4169高溫合金鑄件.該件最大輪廓尺寸為Φ600 mm，由內(nèi)環(huán)、外環(huán)及88個實心薄壁葉片三部分組成，如圖1所示.由于該鑄件為復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)且葉片與葉片之間的間距小，充型困難，葉片根部及擴壓器下端有加強筋部位的補縮十分困難，極易產(chǎn)生疏松.傳統(tǒng)工藝是采用鍛鑄件機加工后組合焊接成整體擴壓器，成本高、周期長、重量大、壽命短、可靠性低.用整體精鑄件代替組焊件可減輕發(fā)動機重量，增加可靠性，延長壽命.為此，迫切需要尋求一條能夠有效地縮短研制周期，降低試制成本的途徑，以加速發(fā)動機的研制生產(chǎn)［1］.近年來迅速發(fā)展起來的鑄造凝固模擬仿真技術(shù)使得利用數(shù)字化技術(shù)改良傳統(tǒng)鑄造工藝，利用模擬仿真結(jié)果優(yōu)化、指導(dǎo)現(xiàn)場工藝成為可能［2－15］.

1 工藝及模擬環(huán)境模型

根據(jù)實際蠟?zāi)＝M合方案和熔鑄工藝，利用UG NX7.5軟件的三維建模模塊對擴壓器鑄件及澆冒口系統(tǒng)、砂箱、保溫氈、熔鑄爐進行三維建模，如圖2所示.

圖1 擴壓器鑄件UG模型

圖2 擴壓器鑄件工藝及模擬環(huán)境模型

2 模擬過程與結(jié)果分析

2.1 前處理

2.1.1 網(wǎng)格剖分

將GeoMESH軟件中生成的面網(wǎng)格導(dǎo)入ProCAST軟件MeshCAST模塊中，設(shè)置型殼厚度為12 mm后進行體網(wǎng)格剖分并創(chuàng)建保溫氈，所得型殼、保溫氈及砂箱的體網(wǎng)格共計281萬個四面體有限單元，鑄件及型殼的體網(wǎng)格如圖3所示.

圖3 擴壓器鑄件及型殼的體網(wǎng)格

2.1.2 材料的熱物性參數(shù)

鑄件材料為K4169合金，利用ProCAST軟件自帶的熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫BackDiffution模型，通過輸入合金主要化學(xué)成分，從而計算得到熱物性參數(shù)，其液相線溫度1 359℃，固相線溫度1 243℃，密度8 220 kg/m3;模殼為莫萊石陶瓷材料，密度3 150 kg/m3，其熱物性參數(shù)存在于ProCAST軟件的數(shù)據(jù)庫中，可直接調(diào)用.

2.1.3 邊界條件

實物澆注時型殼裝箱方式描述如下:砂箱內(nèi)表面底部墊兩層保溫氈后將型殼裝入砂箱，在砂箱的內(nèi)表面四周塞滿保溫氈，然后在型殼的上部和澆口杯處鋪四層保溫氈，最后將砂箱連同型殼及保溫氈置于直徑為1.6 m的真空爐石墨加熱器內(nèi).此時涉及的傳導(dǎo)界面主要有三種，即鑄件與型殼之間、型殼與保溫氈之間、保溫氈與砂箱之間且各個界面的熱阻都隨溫度而改變［2］.

因采用真空澆注且型殼預(yù)熱溫度很高(達到1 050℃)，必須考慮型殼與鑄型室壁的輻射換熱［16］.此外，保溫氈上表面和砂箱外壁都與爐內(nèi)壁進行灰體輻射換熱且保溫氈表面的灰度也隨溫度而改變［2］.

在澆口杯的中心設(shè)置入流邊界條件，此處澆注溫度為1 500℃，型殼的預(yù)熱溫度為1 050℃，澆注時間為8 s(可通過澆注時間計算澆注速度)，澆注完畢后斷電，鑄件隨爐冷卻.

2.1.4 初始條件

初始條件包括合金的澆注溫度(設(shè)為1 500℃)、型殼的預(yù)熱溫度(設(shè)為1 050℃)，環(huán)境溫度(設(shè)為24℃)、重力加速度(設(shè)為9.8 m/s2)等.

2.2 模擬結(jié)果及分析

2.2.1 充型過程的流場及溫度場分布

圖4是擴壓器鑄件充型過程中不同時刻的填充順序及各部位溫度分布，其右側(cè)色標(biāo)表示溫度數(shù)值的大小.從該圖中可以看出:金屬液澆注到澆口杯后，液態(tài)金屬首先充滿整個直澆道，然后由鑄型的上部四周向型殼底部注入金屬液，最后上部橫澆道內(nèi)的合金液與底部外環(huán)冒口的合金液在直澆道內(nèi)匯聚成形，整個充型過程完成約需8 s，充型過程中金屬液體的溫度變化不大.

圖4 擴壓器鑄件充型順序及各部位溫度分布

2.2.2 凝固過程的溫度場分布

圖5是擴壓器鑄件凝固過程中不同時刻各部位溫度分布的模擬結(jié)果，其右側(cè)色標(biāo)表示溫度數(shù)值的大小.從圖中可以看到鑄件不同部位在凝固過程中的溫度變化規(guī)律及熱節(jié)的形成過程.從73 s的溫度場結(jié)果中可以看出，在外環(huán)薄壁部分，壁的周邊出現(xiàn)了一圈降溫較快的區(qū)域(圖6(b)中藍色部分A處)，這可能與筋的蓄熱及薄壁與厚大部位鄰接處的棱邊散熱快有關(guān).葉片外環(huán)(圖6(b)中B處)和外環(huán)外立著的直澆道(圖6(b)中C處)溫降約等速，但鑄件整體上呈現(xiàn)出一種順序凝固狀態(tài).

圖5 擴壓器鑄件凝固過程中不同時刻各部位溫度分布

圖6是其凝固過程中不同時刻固相分數(shù)分布情況，其右側(cè)色標(biāo)表示固相分數(shù)數(shù)值的大小，其變化規(guī)律與溫度場顯示結(jié)果一致，由圖6(c)可以看出擴壓器下端有加強筋局部部位有孤立“液帶”存在.

圖6 擴壓器鑄件凝固過程中不同時刻的固相分數(shù)

2.2.3 縮孔縮松缺陷預(yù)測及結(jié)果分析

根據(jù)上述對擴壓器鑄件鑄造成形過程溫度場及流場的模擬結(jié)果，ProCAST軟件的VisualCAST模塊可以對其各部位的縮松缺陷進行預(yù)測［13－14］.通過漸進方式來設(shè)置Niyama數(shù)值的大小，來觀察鑄件各部位產(chǎn)生縮松缺陷的情況.

經(jīng)分析得知:圖7中綠色區(qū)域表示Niyama數(shù)值大于產(chǎn)生縮孔縮松的臨界值，該部位將不產(chǎn)生縮孔縮松.其他彩色區(qū)域，Niyama數(shù)值小于產(chǎn)生縮孔縮松的臨界值，這些部位將產(chǎn)生縮松的傾向.而這些部位正是擴壓器鑄件下端有加強筋的部位，因此該部位存在不同程度的分散狀的縮松缺陷(如圖7涂紅部分)，實物澆注后的鑄件的理化分析結(jié)果與模擬結(jié)果基本吻合.此外，該部位存在分散狀的縮松缺陷在鑄件凝固過程中該部位形成孤立液相區(qū)的固相分數(shù)的分布圖中也可以證實這一點(如圖8涂紅部分).分析表明:產(chǎn)生縮松的原因是由于擴壓器鑄件下端結(jié)構(gòu)有突起的帶有凸臺狀的加強筋且要求無余量精鑄，該部位存在熱節(jié)且無法安裝澆冒口系統(tǒng)，使得在鑄造凝固過程中無法進行自我補縮，從而導(dǎo)致該部位出現(xiàn)部不同程度的分散狀的縮松.

圖7 擴壓器鑄件缺陷預(yù)測結(jié)果

圖8 擴壓器鑄件某時刻的固相分數(shù)分布及孤立液相區(qū)分布

2.3 工藝方案改進及效果

對現(xiàn)場實物澆注工藝方案的模擬結(jié)果可以看出，在型殼預(yù)熱溫度為1 050℃、型殼底部和頂部及四周加保溫氈的條件下，薄壁部分的一些部位冷卻過快，厚大部位冒口對凝固的控制作用不明顯，下端帶有加強筋的局部沒有實現(xiàn)順序凝固，成為下端縮松缺陷出現(xiàn)的主要原因.此外，對不同冷卻速度下的工藝也進行了模擬，研究表明(因版面所限，圖片和數(shù)據(jù)暫不提供)缺陷數(shù)量隨著冷卻速率的降低而減小.為了更好的控制凝固，提出了以下改進方案:在制備型殼時，擴壓器下端易出現(xiàn)縮松的部位用鐵丸涂料制備型殼，提高熱節(jié)局部的散熱性;將砂箱內(nèi)底部墊的保溫氈改為河砂，使得內(nèi)支板及外環(huán)塊下端型殼的下表面正好與河砂接觸;中部以上增加保溫氈的厚度;預(yù)熱溫度提高到1 100℃，其他條件不變.

改進工藝方案的實物澆注試驗證明:擴壓器下端有加強筋的部位(此處不宜加澆冒口)的縮松缺陷大大減少，甚至消失，澆注的鑄件符合冶金技術(shù)標(biāo)準(zhǔn).

3 結(jié)論

1)ProCAST軟件對擴壓器鑄件整體精鑄過程的數(shù)值模擬結(jié)果與實物澆注缺陷吻合且優(yōu)化了鑄件的精鑄工藝，提高了該件質(zhì)量，縮短了研制周期.

2)實物澆注試驗表明:將砂箱內(nèi)底部墊的保溫氈改為河砂，擴壓器下端有加強筋部位的縮松缺陷可大大減少，甚至消失.

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