高强韧基座铸件凝固工艺设计数值模拟优化研究

选用开放式浇铸系统设计了A356基座铸件自由充型凝固成形工艺,结合Pro-CAST软件完成了充型流动场与凝固固相场分布的数值仿真计算,通过自由充型凝固成形工艺设计优化与浇铸温度工艺参数调整,实现了基座铸件自下而上的逐层顺序凝固,疏松缺陷由铸件本体转移至补缩冒口区域。经过实验表明,断裂裂纹扩展方式由沿晶断裂转变为韧窝断裂。     

Hf对IC10高温合金凝固特性的影响

采用等温凝固和差热分析相结合的方法,研究Hf含量对定向凝固柱晶IC10高温合金凝固特性的影响,得到Hf含量变化时合金在不同温度的凝固组织和凝固顺序.结果表明:随着Hf含量增加,合金的液相线及固相线温度均降低,凝固温度范围扩大,γ+γ’共晶析出温度提高.增加Hf含量还缩小了枝晶间丧失补缩能力温度与固相线温度的温度范围,并降低枝晶间液池保持连通时所需的最小液体量,提高IC10合金的铸造性能.     

钛合金叶轮精铸成型数值模拟及实验验证

针对铸造钛合金叶轮叶片内部缺陷多和成型质量差的问题,通过设计两种浇注系统,运用有限元方法对浇注系统进行数值模拟,研究浇注系统设计优化对精铸的充型和凝固过程中流场、温度场及缩孔缩松的影响,在最优设计基础上进行熔模精铸实验,同时对其铸件的微观组织和力学性能进行检测与分析。结果表明:在型壳预热温度400℃、浇注温度1730℃,浇注时间8 s条件下,模拟结果得到底注式浇注系统充型、凝固质量好,铸件内部无缺陷;顶注式结构充型流场紊乱,存在卷气现象,同时铸件内部缺陷较多,故底注式多冒口结构浇注系统优于顶注式结构;对底注式系统进行了实验验证,铸件显微组织致密,拉伸屈服强度、断面收缩率和硬度分别为785.5 MPa、25.5%和301.67 HBW,力学性能较好,表面精度较高,符合高品质钛合金铸件的要求。     

成分调整对DZ125合金凝固行为的影响

研究了标准成分的DZ125合金与以此为基础提高W、Al，降低Mo、Ti合金中的初生相的凝固顺序，确定了这两种合金在固-液范围内不同温度下的固-液相比例。结果表明，高W、Al低Mo、Ti合金显著缩小了合金凝固范围（Δ），使液相线温度提高了20℃，固相温度提高了70℃，并缩小失去技晶间毛细补缩能力时的温度与固相线之间的温度范围（ΔT2），从而减少了合金热裂倾向，提高了可铸性。Ti含量影响（γ＋γ'）共晶相尺寸、数量及形态，W、Wo对（γ＋γ'）共晶的数量、尺寸及形态均无影响。     

真空吸铸过程中TiAl合金熔体流动状态

利用数值模拟和实验相结合的方法,对金属型底浇式真空吸铸过程中合金熔体的射流宽度、反向充填位置和反向充填区域等流动状态进行研究,并优化了工艺参数。研究表明,随着吸口直径尺寸增加,金属液的射流宽度增大,反向充填位置从底部向上部移动,且充填区域也发生了相应的转变,当吸口直径为4mm时,射流宽度和型腔宽度一致,反向充填消失。当吸口直径为4mm,浇注温度为1620℃时,获得了充型完整的TiAl基合金薄板件,铸件铸态组织晶粒细小,平均尺寸小于50μm,为全片层组织。     

大尺寸薄壁钛合金筒体结构的离心精密铸造

采用离心精密铸造方法,初步研究了铸造大尺寸薄壁钛合金筒体(直径660 mm,高750 mm,壁厚4 mm)的可行性。结果表明:离心转速较小时,Ti-6Al-4V筒体无法完整充型,而较大的转速可实现完整充型。对于完整充型的筒体,其内部疏松缺陷数量随转速提高而减少。对于给定转速和具有均匀温度场的型壳,筒体中疏松缺陷数量随熔液路径增长而增加。采用Y2O3面层型壳可获得无α壳层的表面质量良好的精密铸件,其内部疏松可通过热等静压消除。铸件的晶粒度随铸件截面厚度变化改变较大,需通过微合金化和后续热处理等措施加以调整。     

AZ91镁合金负压消失模铸造充型速度的研究

真空度、浇注温度及模样厚度对AZ91镁合金消失模铸造充型速度影响的全因子实验的结果表明 ,它们都对充型速度起积极的作用 ,真空度是决定充型速度的一个关键工艺参数。在不抽真空时 ,充型速度非常小且随充型过程的进行逐渐降低 ,浇注温度对充型速度的影响也很小 ;抽真空时 ,充型速度在充型过程中不断变化且呈现不出任何规律 ,其起伏的幅度随真空度、浇注温度和模样厚度的增大而增大 ;在真空度较低时 ,随着真空度和 或浇注温度的提高 ,平均充型速度迅速增大 ,真空度与浇注温度对充型速度的交互作用增强 ;在较高的真空度下 ,平均充型速度仍随浇注温度的提高而增大 ,但平均充型速度的增大速率却随真空度的进一步提高而降低 ,真空度与浇注温度对充型速度的交互作用很弱。模样厚度对平均充型速度影响在抽真空时有所提高。     

TA32高温钛合金超塑性能研究

采用恒应变速率法对TA32高温钛合金板材进行超塑拉伸,研究了温度920～980℃和应变速率5×10^-5～1×10^-3 s^-1条件下材料的超塑变形行为,并分析了锥形件胀形过程的变形特征和微观组织演变规律。结果表明,TA32合金具有良好的超塑性变形能力,温度920℃、应变速率1×10^-3 s^-1时最大延伸率达到864%。温度为940℃和960℃时,受平面应力变形的锥形件高度较高,分别为90 mm和92 mm;经过不同变形量的变形后微观组织变化并不显著。     

Nb-Si金属间化合物基超高温合金研究进展

Nb-Si金属间化合物基超高温合金(Nb-Si基合金)具有高熔点、低密度和良好的加工性能,目标使用温度达到1 200~1 400℃,成为用于新一代高推重比航空发动机热端部件最有潜力的候选材料。主要介绍了北京航空航天大学在Nb-Si金属间化合物基超高温合金领域的研究成果,包括合金化、加工制备技术(电弧熔炼、感应熔炼、定向凝固和粉末冶金)、组织控制与性能表征和热防护涂层材料体系设计与制备技术等。发展了Y2O3坩埚真空感应熔炼和Y2O3模壳精密成型顺序凝固技术,成功制备了涡轮叶片模拟件;发展了Al2O3/Y2O3、Y2O3/Y2O3陶瓷坩埚/模壳液态金属冷却定向凝固技术,实现了Nb-Si基合金的定向凝固组织控制和强韧化匹配;发展了热防护涂层材料体系和制备技术,在合金基体和涂层的高温抗氧化方面均取得了较大的进展。     

金属激光增材制造过程数值模拟

金属激光增材制造过程中,热应力导致零件发生形变;气孔与熔合不良等缺陷降低零件的拉伸以及疲劳性能;熔池内的凝固微观组织,尤其是柱状晶等轴晶转变(Columnar to Equiaxed Transition,CET)是影响零件性能的重要因素。针对上述3个方面,回顾了金属激光增材制造数值模拟的发展历史,对其研究现状和存在问题进行了评述,阐述了金属激光增材制造过程中所采用的数值模型和数值方法,包括热应力分析的有限元(Finite Element Method,FEM)方法、模拟熔池金属液流动的计算流体力学方法(Computational Fluid Dynamics,CFD),以及凝固微观组织模拟的相场法(Phase Field,PF)和元胞自动机方法(Cellular Automaton,CA)。在此基础上对金属激光增材制造过程数值模拟的前景及趋势进行了展望。