[发明专利]铸件凝固模拟用参数采集方法及浇冒系统网格化设计方法

说明书

本发明提供一种铸件凝固模拟用参数采集方法及浇冒系统网格化设计方法，包括计算得到高温合金的热力学参数；获取高温合金在不同厚度条件下的冷却曲线；测定高温合金随温度变化的线膨胀系数；设计方法包括：模拟不同粗细管状特征件的凝固过程，确定不同粗细特征件的补缩距离；建立网格化的浇冒系统，将铸件按照厚度划分为多个模块，并对每个模块的内部进行单元格划分，并确保单元格尺寸小于该厚度补缩距离；对铸件及网格化的浇冒系统进行充型与凝固模拟，分析缺陷模拟结果。本发明为航空航天大型复杂薄壁高温合金铸件研制提供支持，为研制多样化的复杂薄壁铸件的浇冒系统设计提供解决方案。

技术领域

本发明涉及高温合金精密铸造领域，具体地，涉及一种大型复杂薄壁高温合金铸件凝固模拟用参数采集方法及大型复杂薄壁高温合金铸件浇冒系统网格化设计方法。

背景技术

发展先进航空发动机已经成为我国航空工业最为迫切的需求之一。新一代高推重比航空发动机对结构设计要求非常苛刻，要求大量采用高结构效率的整体化、轻量化、空心薄壁化和精密化等复杂结构。这促使高温合金熔模铸件向大型复杂薄壁方向发展，大型复杂薄壁高温合金铸件整体熔模铸造技术是先进航空装备迈向轻量化、精确化、长寿命发展的重要技术基础。传统半经验式的浇冒系统设计方法在小型简单厚壁高温合金铸件研制方面取得了巨大的成功，然而，由小型简单厚壁铸件到大型复杂薄壁铸件转变时，虽然内在缺陷形成机制与尺寸演化规律上没有差异，但是从缺陷和尺寸宏观表现上已经发生了质的变化，出现了“尺寸效应”，即缺陷形成与尺寸变化规律复杂性增加维数大于铸件本身尺寸维度的增加，例如，两个小型铸件无论采用任何形式的拼接，其内部缺陷无论形貌还是体积分数均非简单机械的累加，尺寸变化也非材料本体收缩系数的简单等效放大。铸件的“尺寸效应”及其伴随铸件结构复杂性出现的“结构效应”，造成大型复杂薄壁高温合金铸件充型与凝固时局部内应力非常大，往往产生疏松缩孔、变形和尺寸超差三大铸造缺陷，因此，该类铸件浇冒系统设计方法成为制约航空航天重大装备用大型复杂薄壁高温合金铸件研制的关键问题之一。

经对现有技术的文献检索发现：潘波涛等在2012年的《特种铸造及有色合金》第8期第32卷的第757-758页中报道了某高温合金薄壁调节片铸件浇注系统设计方法，整体上采用直浇道－内浇道式充型方式，在距离直浇道较远的壁厚差较大处由直浇道引出两个内浇道，依靠内浇道把金属液引入铸型，同时也起到补缩作用。据称该浇冒系统设计较好的消除了铸件的冷隔与欠铸缺陷，铸件的合格率大幅度提升，工艺出品率提高到原来的两倍左右。其不足之处在于该研究仅仅针对具体工程铸件给出了浇冒系统设计方法，而针对大量复杂薄壁高温合金铸件这一类问题，缺乏普适的设计原则，难以为铸造工程师设计其他结构大型复杂薄壁高温合金铸件浇冒系统时提供有效帮助，此外，在设计浇冒系统时也为充分考虑内部缩松缩孔缺陷。

申请号为CN201510009167.9的中国发明专利涉及一种薄壁铸件的浇注系统及其浇注方法，它包括型腔、直浇道、横浇道、内浇道和出气口，直浇道与横浇道连通，横浇道与内浇道连通，型腔与内浇道连通，出气口与型腔连通，横浇道分为上横浇道和下横浇道，上横浇道与直浇道连通，下横浇道与内浇道连通，上横浇道与下横浇道之间通过截留面连通，且上横浇道与截留面的连接处设有集渣包；及一种薄壁铸件的浇注方法，随流孕育，浇注温度为1350-1400℃，浇注速度为270-320kg/min；与现有技术相比，该专利具有在保证铸件的品质的前提下，可使得铸件成品率、出品率较高及生产成本较低的特点，其不足之处在于该专利浇冒系统设计思路未考虑足够的补缩通道，必然产生大量显微疏松缺陷，因此，该专利方法不适合复杂薄壁高温合金铸件浇冒系数设计。