蔣夢麒 陳 雙 齊 兵 何 博
(1.上海工程技術(shù)大學(xué)材料工程學(xué)院 上海 201600)
(2.上海工程技術(shù)大學(xué)高溫合金精密成型研究中心 上海 201600)
(3.上海萬澤精密鑄造有限公司 上海 201400)
熔模精密鑄造能夠制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鑄件,具有尺寸精度高、表面粗糙度好等特點(diǎn)[1~2],被廣泛地應(yīng)用于航空航天,汽車等領(lǐng)域[3~5]。傳統(tǒng)的熔模鑄造基于大量的迭代試制實(shí)驗(yàn)之上,導(dǎo)致鑄造工藝開發(fā)成本較高。隨著近年來有限元軟件成為了分析鑄造充型、凝固和冷卻過程以及預(yù)測內(nèi)部缺陷位置和類型的有力工具[3,6~7],設(shè)計(jì)人員利用有限元軟件預(yù)測鑄件內(nèi)部缺陷種類與分布[8~10],并驗(yàn)證澆注方案的合理性[11~12],使得鑄造工藝設(shè)計(jì)得以從傳統(tǒng)的“迭代試錯(cuò)法”轉(zhuǎn)變?yōu)椤案拍铗?yàn)證法”[13]。王晉忠等[14]利用有限元模擬軟件有效地預(yù)測了缺陷的分布與種類,并依據(jù)模擬優(yōu)化了澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)。Sun 等[15]人運(yùn)用仿真軟件Magmasoft模擬了鎂合金鑄造充型和凝固過程,并采用正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)。以上的方法都證明了有限元軟件可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測缺陷的產(chǎn)生與分布,可大幅度降低鑄造工藝研發(fā)成本。
本文為探究合理的支座件熔模鑄造工藝,首先利用簡易的澆注系統(tǒng)對鑄件進(jìn)行了試制,并對試制進(jìn)行了X射線檢測與熒光檢測,定位并分析了缺陷的位置以及缺陷產(chǎn)生的可能原因?;谠囍频慕Y(jié)果提出了3 套澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì),并利用有限元軟件ProCAST 替代了試驗(yàn)試制進(jìn)行工藝迭代優(yōu)化,最終確定了最佳的澆注工藝,并在實(shí)際生產(chǎn)中得到驗(yàn)證。
支座件具有一個(gè)空心結(jié)構(gòu),鑄件最大輪廓尺寸為186mm×308mm×318mm,整體壁厚為約4.5mm,產(chǎn)品三維模型見圖1(a)。鑄件材料為鎳基合金K444,其化學(xué)成分如表1所示。為探究鑄件的澆注工藝,對鑄件進(jìn)行了試制,試制的澆注工藝為澆注溫度1420℃;預(yù)熱溫度980℃,保溫時(shí)間5h。支座基板的冷卻方式設(shè)置為空冷,其余部位均包裹厚度為12mm 的保溫棉,期望以此實(shí)現(xiàn)自底向上凝固的凝固方式,試制澆注如圖1(b)所示。清殼處理鑄件外形完整,如圖1(c)所示。
表1 鎳基合金K444化學(xué)成分
圖1 支座件試制
利用X 射線探傷檢測技術(shù)與熒光檢測對試制件進(jìn)行質(zhì)量檢測,發(fā)現(xiàn)在支座的側(cè)壁上中部存在大量穿透性縮孔缺,如圖2 所示。這說明試制中的保溫棉包裹并未達(dá)到預(yù)期的效果,在凝固時(shí)支座側(cè)壁內(nèi)的金屬液幾乎同時(shí)形核、長大,形成由固體和液體組成的糊狀混合物,而這些先行形核的晶體發(fā)展成樹枝發(fā)達(dá)的等軸晶,并很快連成一片,形成結(jié)晶骨架,將熔液分割成一個(gè)一個(gè)不相連的小熔池,難以被外部的金屬液補(bǔ)縮最終形成了縮松[16]。
圖2 X射線探傷檢測與熒光檢測
基于初次試制的結(jié)果對澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化,三套澆注系統(tǒng)優(yōu)化方案如圖3 中所示?!盎刈帧睗沧⑾到y(tǒng)設(shè)置如圖3(a)所示,支座件冷卻方式為空冷,澆口杯頂部與橫澆道包裹12mm 保溫棉,而內(nèi)澆口與側(cè)澆道包裹6mm 保溫棉,單測內(nèi)澆口數(shù)量為9 個(gè),兩側(cè)對稱。該方案的設(shè)計(jì)同時(shí)兼顧了自下而上的順序凝固與內(nèi)澆口的補(bǔ)縮面積。圖3(b)是“人字”澆注方案,該方案較于“回字”方案更為關(guān)注建立合理的溫度梯度保證凝固順序,該方案將單側(cè)內(nèi)澆口數(shù)量降低到4 個(gè)并撤除了底部的流道與內(nèi)澆口。為了補(bǔ)償由內(nèi)澆口數(shù)量減少所帶來的補(bǔ)縮能力的影響,“人字”方案增大了內(nèi)澆口的尺寸并將保溫棉從6mm 增厚到12mm?!耙蛔帧睗沧⒎桨竸t在“人字”澆注方案的基礎(chǔ)上繼續(xù)優(yōu)化溫度梯度,在鑄件兩側(cè)交叉設(shè)立內(nèi)澆口,共計(jì)5 個(gè),同時(shí)將所有澆道包裹12mm 保溫棉期望保證澆口的補(bǔ)縮能力,澆注方案如圖3(c)~(d)所示。
圖3 優(yōu)化后的澆注系統(tǒng)三維模型
ProCAST 中參數(shù)設(shè)置如下:1)澆注時(shí)金屬液的溫度為1420℃;2)型殼預(yù)熱溫度為980℃;3)澆注時(shí)間為4s;4)型殼與鑄件之間的傳熱系數(shù)為300W/(m2·K);5)12mm 保溫棉與6mm 保溫棉包裹的型殼與空氣的傳熱系數(shù)分別為0.2W/(m2·K)和1W/(m2·K);6)空冷狀態(tài)下,型殼與空氣之間的傳熱系數(shù)為10W/(m2·K),室溫20℃。
ProCAST中的Fraction solid判據(jù)表示某個(gè)階段鑄件每個(gè)區(qū)域達(dá)到固相內(nèi)部的固相率,以此可以來判斷在鑄件完全凝固前鑄件與內(nèi)澆口之間的補(bǔ)縮通道是否關(guān)閉,以及在鑄造過程中先行凝固的部位[17]。如圖4 所示,三個(gè)澆注方案整體都實(shí)現(xiàn)了自底向上的凝固方式,其中“回字”澆注方案總體冷卻速度較快,而其余兩個(gè)方案冷卻速度較為接近?!盎刈帧睗沧⒎桨附禍剌^快的原因是該方案的內(nèi)澆口區(qū)域包裹的保溫棉厚度僅為6mm,在凝固前期鑄件與澆道內(nèi)金屬液都開始凝固,從而導(dǎo)致總體固相分?jǐn)?shù)快速上升。該方案在鑄件凝固終了時(shí)內(nèi)澆口固相分?jǐn)?shù)達(dá)到了60%~66.7%,可能會(huì)存在內(nèi)澆口補(bǔ)縮能力不足的情況。而與“回字”澆注方案不同,其余兩個(gè)方案在凝固前期鑄件凝固較快,而澆道內(nèi)金屬液直至鑄件凝固終了時(shí)仍保持較低的固相率,約為33%~40%,內(nèi)澆口可以一直為鑄件提供金屬液補(bǔ)縮。但值得注意的是“一字”澆注方案的補(bǔ)縮能力并不一定優(yōu)于“回字”澆注方案,當(dāng)鑄件中的補(bǔ)縮通道閉合時(shí)金屬液在型腔中難以流動(dòng),將會(huì)導(dǎo)致內(nèi)澆口失去補(bǔ)縮作用,如圖4(b)中的j與k所示。
圖4 固相分?jǐn)?shù)
Solidification time 判據(jù)表示鑄件各部位完全凝固的時(shí)間,可以由此明顯地判斷出鑄件的凝固方式。三套澆注方案如圖5 所示,“人字”的澆注方案有最優(yōu)的溫度梯度可以很好地使鑄件實(shí)現(xiàn)自底向上凝固,如圖5(b)所示。
圖5 凝固時(shí)間
數(shù)值模擬軟件ProCAST 基于Niyama 判據(jù)來預(yù)測縮松分布情況[18],各澆注方案的模擬結(jié)果如圖6所示,圖中的閾值取值為0.01,即如圖深色部分的縮松率大于1%,在實(shí)際生產(chǎn)中大概率是缺陷產(chǎn)生的地方。如圖6(a)、(d)與圖6(c)、(f)所示,“回字”澆注方案與“一字”澆注方案鑄件內(nèi)部均有缺陷分布,內(nèi)澆口補(bǔ)縮能力不足與鑄件內(nèi)部補(bǔ)縮通道過早關(guān)閉分別是這兩組澆注方案中缺陷產(chǎn)生的原因?!叭俗帧睗沧⒎桨溉毕菁蟹植荚跐沧⑾到y(tǒng)內(nèi)部,而鑄件內(nèi)部無明顯的缺陷,說明在該澆注方案下鑄件的孔隙率小于1%,基本滿足使用要求,如圖6(b)、(e)所示。
圖6 縮松分布模擬結(jié)果與分析
為驗(yàn)證澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì),按照優(yōu)化后的方案重新進(jìn)行了小規(guī)模的試制,試制過程與支架試制件如圖7 所示,鑄件表面平整、光滑,無多肉,少肉等缺陷。在X 射線檢測如圖8 所示,未發(fā)現(xiàn)鑄件內(nèi)部存在縮松、縮孔等鑄造缺陷,鑄件驗(yàn)收合格。
圖7 小批量試制
圖8 X射線探傷檢測
本文基于支座試制結(jié)果提出了3 套澆注系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì),并運(yùn)用有限元模擬軟件ProCAST分別對3 套澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了數(shù)值模擬及缺陷分析,主要結(jié)論如下:
1)有限元軟件ProCAST 可以準(zhǔn)確地模擬熔模鑄造的充型與凝固過程,確定鑄件內(nèi)部的缺陷種類與缺陷的分布。
2)由于鑄件中薄壁大平面區(qū)域補(bǔ)縮通道容易堵塞,易形成獨(dú)立的固液混合區(qū)從而導(dǎo)致在凝固終了時(shí)產(chǎn)生縮松缺陷。
3)通過改變澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以有效地提升澆道對鑄件的補(bǔ)縮能力、改善鑄件的凝固順序,實(shí)現(xiàn)鑄件自下而上、自鑄件至澆注系統(tǒng)的凝固順序,提高鑄件質(zhì)量。