大尺寸复杂筒状铝合金精铸件浇注系统设计方法研究

研究大尺寸复杂筒状铝合金精铸件浇注系统的设计方法,通过对三种具有筒状结构的大尺寸复杂铝合金精密铸件的浇铸系统设计和浇注试验,研制出冶金质量和力学性能合格的铸件.结果表明,缝隙式浇注系统或缝隙式与底注式相结合的浇注系统是该类铸件比较理想的浇铸系统设计方式.     

基于ProCAST的高Nb-TiAl合金叶轮熔模铸造

通过铸造模拟软件ProCAST实现高Nb-TiAl合金叶轮熔模铸造充型凝固过程的模拟仿真,研究浇注充型工艺对合金熔体充型、缩孔缩松等充型凝固特性的影响,优化相应工艺;进行浇注实验与铸件的无损检测分析,并进行铸件的解剖分析验证缩孔缩松分布;使用附注试棒研究叶轮在室温和高温下的力学性能。结果表明:ProCAST软件对高Nb-TiAl铸件缩孔缩松预测较为准确,通过模拟仿真预测结果优化了工艺方案从而避免了铸件中大尺寸缩孔缩松的形成,在最终的铸件中只存在尺寸小于22μm的显微缩孔;所有铸件均实现完整充型,铸件室温抗拉强度约580 MPa,850℃高温抗拉强度约450 MPa。     

发动机整体薄壁铝合金精铸件真空差压铸造

介绍了真空差压铸造工艺原理及控制难点,并以某型航空发动机排气端壳体这一代表性的精密铸件为例,对整体薄壁铝合金精铸件真空差压铸造中的浇注系统、铸型研制和浇注温度选择等关键技术进行了研究,并对存在的问题提出了解决途径和控制手段。结果表明,采用双通结构浇注系统,利用呋喃树脂砂型砂进行混制铸型,在(730±10)℃浇注温度下进行浇注,航空发动机复杂整体薄壁铝合金精铸件产品的疏松、气孔、夹杂等缺陷消除,组织致密,延伸率可达3.6%。     

ZL101泵壳凝固成形工艺设计数值仿真优化

针对ZL101泵壳设计了两种不同的浇铸系统,借助FEM方法完成了充型流动场、凝固固相场与疏松分布的数值计算对比分析。结果表明:采用底注式浇铸系统,合金熔体充型平稳,型腔内部充型初期卷入的气体可有效排出,凝固次序为自上而下与自内向外的逐层凝固,T5热处理后本体试样平均抗拉强度、屈服强度与延伸率分别为334.5、274 MPa与5.8%,满足了HB962-2001Ⅱ类铸件的技术指标要求。     

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。     

精铸过程位移场的数值模拟方法

为了保证精铸件的成形精度,制造所用的模具型腔必须对铸件的收缩变形进行补偿。提出一种精铸过程位移场的数值模拟方法：通过涡轮叶片的精铸实验,测量与分析铸件上特定位置的温度值变化曲线,反向求解了界面换热系数随时间的变化关系,提高了铸件凝固过程中温度场数值计算的精度。通过设置适当的工艺参数和边界条件,基于熔模铸造温度场和应力场,对精铸过程进行耦合计算,得到了较为精确的凝固过程位移场,与实测结果吻合较好,为精铸涡轮叶片模具型腔的优化提供了量化参考依据。     

宇航熔模铸造技术的发展

本文评述了近年来国内外宇航熔模铸造技术的发展概况,内容包括:熔模铸件市场情况,铸造涡轮叶片发展过程、定向凝固及单晶技术、整铸涡轮转子、大型结构铸件、钛合金精铸件、陶瓷壳型及型芯工艺以及熔模铸造新技术。     

浇注系统对离心铸造TiAl合金杆形件缩孔缺陷的影响

采用数值模拟方法研究杆形件直径和补缩冒口结构对离心铸造TiAl合金杆形件缩孔缺陷的影响,并根据充型和凝固温度场对影响的原因进行分析。结果表明:杆形件直径由16 mm增加到20 mm,并进一步设计成入口处直径20 mm、远端直径16 mm的锥形,杆形件补缩通道被阻塞的趋势逐渐减小,用于补缩的金属液温度提高,凝固时间逐渐增长,因而补缩效果提高,杆形件缩孔缺陷水平逐渐降低;基于杆形件的锥形设计,相比无补缩冒口的杆形件,增加环形补缩冒口,充型时金属液顺序凝固趋势减弱,凝固时用于补缩的金属液温度降低,凝固时间缩短,因而补缩效果降低,缩孔缺陷水平略有提高;增加锥形补缩冒口,充型时金属液顺序凝固趋势增强,凝固时用于补缩的金属液温度提高,凝固时间增长,因而补缩效果提高,缩孔缺陷水平降低。优选最佳设计进行了浇注实验,杆形件剖面最大缺陷孔隙率平均值与模拟实验的结果基本一致。     

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。     

科技成果

整体精铸钛合金中介机匣研制成功6月7日,我国第一件按照设计要求完成各项指标检测的某发动机整体精铸钛合金中介机匣运抵黎明航空发动机公司,9日,该铸件顺利通过入厂检验,并进行机加工。这是由北京航空材料研究院研制成功的满足发动机研制急需的整体精铸钛合金中介机匣,不仅填补了国内复杂、薄壁钛合金精密铸造的空白,而且大大缩小了与发达国家在钛合金大型、复杂、薄壁精密铸造技术上的差距。该机匣属大型铸件,表面积大,薄壁环节多,结构复杂,铸件难以成型,易变形,技术难度很大,而且经过专业化厂多年研究尚未能解决欠注、气孔、变形、加杂、…     

薄壁铸件及其反重力成形技术

介绍了薄壁铸件的概念和基本特征．根据传热学和流体力学原理,用集总参数法导出了考虑到耦合传输条件下反重力充型工艺参数的计算公式．研究表明,反重力充型参数与合金性质,铸件几何形状及铸件与铸型之间的热交换有关．给定浇注温度和铸型温度,可按所导出的公式计算出充型速度．     

浇注温度对K4169高温合金晶粒组织影响的计算机模拟

利用Fortran语言编程,采用有限差分法分别解用热焓法处理结晶潜热的圆柱坐标系一维不稳定热传导方程,模拟了K4169高温合金圆柱锭某一横截面凝固过程中温度的变化,它正确地反映了在不同铸造工艺条件下合金铸件横截面上温度的变化规律。通过固相分数,将合金铸件凝固温度场模拟及其连续形核模型、枝晶尖端生长的动力学模型相耦合,计算了不同浇注温度下K4169高温合金圆柱锭凝固过程中晶粒组织的特征值,包括晶粒密度和平均晶粒尺寸,并参考二维CellularAutomaton方法,实现了在计算机屏幕上晶粒形成的动态显示,模拟结果和实验结果吻合较好。     

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。     

航空铸造钛合金及其成型技术发展

简述了铸造钛合金及TiAl合金的特点及在国内外航空领域的应用.根据我国钛合金领域专利申请情况分析了铸造钛合金技术在近30年的变化,特别是在航空领域的变化.随着航空制造技术的发展和高性能飞机的需求,钛合金铸件正向大型、整体和复杂化变化,TiAl合金铸件的发展将大大提高航空钛合金的使用温度.而航空领域的钛合金铸造技术将不再是单一的熔模精密铸造,将融合铸造模拟仿真技术和增材制造技术的优势,采取复合式发展的道路,以提高其整体精铸水平和生产效率.     

调压成型精铸技术

本成果为适用于航空、航天大型薄壁复杂铝合金熔模精密铸造。本成果的技术原理 :在充型前将上室 (置有铸型 )和下室 (置有合金液、保温坩埚和升液管 )造成一定的负压 ,然后根据铸件结构形状、工艺要求和铸型特点施压于下室 ,使液态金属在逆重力条件下 ,受控地进入铸型并充满型腔。继而在恒定的压差条件下 ,向上、下室同时施压 ,即对正在凝固的铸件和铸型外部同时施压 ,使铸件的凝固环境从接近真空状态按既定速度 ,变化到高压状态。待铸件凝固后 ,使上、下室的压力平衡。升液管和浇注系统中尚未凝固的金属液 ,在重力作用下返回坩埚中。本技术…     

B/Y复合微合金化高温钛合金显微组织及性能研究

研究了B/Y复合微量添加对高温钛合金凝固过程及显微组织的影响,分析了不同变形温度下高温钛合金的显微组织演变过程,测试了高温钛合金在室温和650℃下的拉伸性能。结果表明,B/Y微量复合添加使高温钛合金凝固过程中产生成分过冷,形成了包裹于β晶界的链状TiB增强相和晶界、晶内弥散分布的稀土氧化物颗粒,显著细化了原始β晶粒,抑制了β晶界的移动,使晶内析出的α片层长径比减小。不同温度轴向压缩变形后,高温钛合金饼坯不同位置处显微组织存在不均匀现象,TiB增强相促进了次生α相的球化。力学性能结果分析表明,两相区变形合金具有较好的强塑性匹配,B/Y复合添加后高温钛合金650℃拉伸强度得到明显提升。     

K4169高温合金组织细化研究

研究了 K4 1 6 9高温合金在不同浇注温度及向熔体中加入细化剂时的晶粒组织。结果表明 ,降低浇注温度可以明显细化凝固后基体的晶粒和提高铸件断面等轴晶的比例。在通常的浇注温度 1 4 0 0℃和 1 4 2 0℃下 ,并对合金熔体进行均匀化处理时 ,加入所研制的复合细化剂可使圆柱锭的晶粒分别细化至 ASTM1 .7级和 ASTMM1 0 .5级 ;断面等轴晶的比例分别达 96 %和 90 %以上。本文提出了晶粒细化的机理并分析了晶粒细化后断面等轴晶比例增大的现象     

TC17钛合金高温超高周疲劳实验

自主研发了高温超声疲劳(20kHz)实验系统,并完成了TC17钛合金在室温、200℃和350℃条件下的疲劳性能实验研究.结果表明:TC17钛合金的动态弹性模量随温度升高呈线性减小.S-N曲线在室温下呈直线下降趋势,但在200℃和350℃条件下,S-N曲线在疲劳寿命为107周次处出现明显的拐点.断口分析表明疲劳裂纹萌生于试件表面或次表面,没有发现裂纹萌生于内部的情形,TC17钛合金的裂纹萌生可不依赖于试件内部的夹杂物或缺陷.高温不仅促进了裂纹的萌生还促进了裂纹的扩展.     

K4169合金整体导向环精铸技术及热处理工艺研究

介绍了K4169合金整体导向环铸件的研制过程与方法。研究获得了整体导向环铸件陶瓷型芯、蜡模和型壳制备、真空熔炼浇注工艺。针对K4169铸造高温合金偏析严重的特点，研究出了一种新的低成本的热处理制度：1150℃／4h，AC＋1095℃／2h，AC＋955℃／1h，AC＋720℃／8h，以56℃／h冷却到620℃／8h，AC。采用该热处理制度处理的K4169合金，力学性能优于采用航标规定的热处理制度处理的。重点分析了K4169合金铸件组织偏析产生的原因，并提出了解决措施。所研制的整体导向环铸件，其冶金质量、化学成分和力学性能满足铸件技术条件的规定。