CN103736979B - 一种确定定向凝固铸造中铸型摆放位置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确定定向凝固铸造中铸型摆放位置的方法，包括以下步骤：将高温合金铸件的外壁划分为外凸结构区和内凹结构区；确定高温合金铸件的质心连接曲线；沿高温合金铸件定向晶生长方向选取若干个横向截面，然后对选取的若干个横向截面进行散热分析，得出每一个横向截面内凹部分的平均辐射角系数，调整铸型在定向凝固炉中的摆放位置，比较选取的若干个横向截面内凹部分的平均辐射角系数在定向凝固炉中不同位置时的大小，当铸型所处的位置使得选取的各个横向截面内凹部分的平均辐射角系数的大小最大时，为铸型在定向凝固炉中的最佳摆放位置。本发明通过对高温合金铸件外壁的散热情况进行分析，获得了对定向晶组织生长有利的铸型摆放位置。

Description

一种确定定向凝固铸造中铸型摆放位置的方法

【技术领域】

本发明属于定向凝固制造领域，具体涉及一种确定定向凝固铸造中铸型摆放位置的方法。

【背景技术】

采用定向凝固铸造工艺可以使定向晶高温合金铸件的晶粒沿热流流失的方向定向排列，这样可以基本消除垂直于应力轴的横向晶界，从而大幅度提高高温合金铸件的性能，如涡轮叶片的力学性能和承温性能。但是在实际生产过程中，所生产的定向晶高温合金铸件时常含有晶体缺陷，例如铸件局部多晶、晶体取向偏移；另外，定向晶高温合金铸件产品的制成分散率极大，即在所有控制条件不变的情况下，并不能保证铸件的成功制造。

针对定向晶高温合金铸件易出现缺陷且制造制成分散率大这两个不足，国内外做了大量研究，发现影响因素众多。首先是温度梯度的控制，定向凝固过程中，温度梯度大小及方向的控制是决定定向晶高温合金铸件是否能制成的最重要因素。温度梯度越大，对定向晶高温合金铸件越有利，但是限于现有的定向凝固技术，温度梯度的大小仍然在一个有限的范围内，所以，在定向晶高温合金铸件的生长过程中必须要综合其他因素保证定向晶高温合金铸件成功制成。其次是冷却装置的冷却介质、定向凝固炉的情况、高温合金铸件结构形式等都对最终的铸件质量有所影响。不过，在保证了上述控制参数处于合理范围内的情况下，定向凝固铸件仍会出现晶体缺陷和制成分散率极大这两个问题。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种确定定向凝固铸造中铸型摆放位置的方法，采用该方法为高温合金铸件的高质量制造提供了必要条件。

为了实现上述目的，本发明采取如下实现方案：

一种确定定向凝固铸造中铸型摆放位置的方法，包括以下步骤：

步骤1)沿高温合金铸件定向晶生长方向的周向外壁进行特征分割，将高温合金铸件的外壁划分为外凸结构区和内凹结构区；

步骤2)确定高温合金铸件的质心连接曲线，所述质心连接曲线为垂直于高温合金铸件定向晶生长方向的横向截面质心的连线；

步骤3)沿垂直于高温合金铸件定向晶生长方向在内凹结构区选取若干个横向截面，然后对选取的若干个横向截面进行散热分析，得出每一个横向截面内凹部分的平均辐射角系数，其中，对选取的若干个横向截面进行散热分析的坐标原点为步骤2)中确定的质心连接曲线与选取的若干个横向截面的交点，平均辐射角系数为高温合金铸件横向截面内凹部分辐射到定向凝固炉冷却装置上的热量与高温合金铸件横向截面内凹部分总散热量的比值；

步骤4)调整铸型在定向凝固炉中的摆放位置，比较选取的若干个横向截面内凹部分的平均辐射角系数在铸型位于定向凝固炉中不同位置时的大小，当铸型所处的位置使得选取的各个横向截面内凹部分的平均辐射角系数的平均值大小最大时，为铸型在定向凝固炉中的最佳摆放位置。

本发明进一步改进在于，步骤2)中，质心连接曲线的确定包括以下步骤：首先沿高温合金铸件定向晶生长方向将实现不同功能的结构分开；接着选取各个结构两端的横向截面及其中间部分若干个横向截面；然后确定每一个横向截面的质心；最后利用各个横向截面的质心数据，结合内插值算法，确定高温合金铸件横向截面的质心连接曲线。

本发明进一步改进在于，内凹结构区任意一个横向截面内凹部分的平均辐射角系数其计算公式为：

式中，

和

其中，P′、Q′为内凹结构区任意一个横向截面内凹部分的切线与该处横向截面的两个切点，P、Q分别为P′、Q′所在直线与定向凝固炉冷却装置受辐射面的两个交点，M和N为该处横向截面P′、Q′在定向凝固炉冷却装置受辐射面的两个边界点，ε₁和ε₂分别是铸型和冷却装置的发射率；表示曲线面P′Q′对直线面P′M的平均辐射角系数，计算公式为 表示直线面P′M对曲线面PM的平均辐射角系数，计算公式为 表示曲线面P′Q′对曲线面MN的平均辐射角系数，计算公式为 表示曲线面P′Q′对直线面Q′N的平均辐射角系数，计算公式为 表示直线面Q′N对曲线面QN的平均辐射角系数，计算公式为L_P′Q′、L_P′M、L_Q′M、L_PM、L_P′P、L_P′N、L_Q′N、L_QN和L_QQ′分别表示线段P′Q′、P′M、Q′M、PM、P′P、P′N、Q′N、QN和Q′Q的长度，Arc_P′Q′和Arc_QN分别表示弧P′Q′和弧QN的弧长。

本发明进一步改进在于，选取的横向截面为5～7个。

本发明进一步改进在于，该高温合金铸件只有一个内凹结构区。

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

本发明一种确定定向凝固铸造中铸型摆放位置的方法，该方法基于定向凝固温度场的变化，考量了定向凝固铸造中铸型摆放位置对高温合金铸件制成率的影响，得出铸型在定向凝固炉中的摆放位置对高温合金铸件定向晶生长情况的优劣进行预测，通过对铸型摆放位置的选择和优化可以进一步消除定向凝固铸造中高温合金铸件横向截面的周向温度梯度，从而提高了高温合金铸件定向晶组织的质量并降低了高温合金铸件的制成分散率。

为此，在定向凝固铸造中，当其它控制参数、工艺条件一致的情况下，针对定向晶高温合金铸件制成分散率高的原因，本发明提供了一种利用平均辐射角系数评价散热情况的“平均辐射角系数大小比较法”，其通过调整铸型在定向凝固炉中的摆放位置，得出铸型位于定向凝固炉中不同位置时，高温合金铸件内凹部分的平均辐射角系数的大小最大时，为铸型在定向凝固炉中的最佳摆放位置，从而获得了更有利于高温合金铸件定向晶生长的铸型摆放位置。本发明的提出，为定向凝固铸造中高温合金铸件的大规模生产奠定了基础。

【附图说明】

图1(a)和图1(b)分别为某型号燃气轮机涡轮叶片及其铸型示意图；

图2为涡轮叶片叶身任意一个横向截面的平均辐射角系数计算示意图；

图3为涡轮叶片内凹部分的平均辐射角系数随定向凝固炉冷却装置圆心坐标的大小变化图；

图4为涡轮叶片最佳摆放位置示意图。

【具体实施方式】

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

一种确定定向凝固铸造中铸型摆放位置的方法，包括以下步骤：

步骤1)沿高温合金铸件定向晶生长方向的周向外壁进行特征分割，将高温合金铸件的外壁划分为外凸结构区和内凹结构区。

步骤2)利用科学计算软件或编程软件完成对高温合金铸件的质心连接曲线确定，所述质心连接曲线为垂直于高温合金铸件定向晶生长方向的横向截面质心的连线。

该步骤首先确定垂直于高温合金铸件定向晶生长方向的横向截面的质心(在横截面上密度均匀高温合金铸件的质心即几何中心，根据定向晶的特点，可将质心处理为几何中心)连接曲线。高温合金铸件定向晶生长方向的质心连接曲线为垂直于定向晶生长方向横向截面质心的连接曲线，例如涡轮叶片的质心连接曲线为一空间曲线。其确定方法为：首先将高温合金铸件沿定向晶生长方向按结构特征分类，目的是使后面的插值运算更为准确。例如涡轮叶片，可分为榫根和叶身两大部分。然后在各个特征区域分别完成选取横向截面，确定该横向截面的质心，而后利用插值的方法将所选横向截面的质心相连接成为整个高温合金复杂结构件沿定向晶生长方向的质心连接曲线。此处建议使用内插值方法，因为内插值方法可以保证每个特征区域，例如涡轮叶片叶身的端面的插值特征同实际特征吻合良好，从而获得更为精确的质心连接曲线。每个部分选取的横截面数量根据目标高温合金复杂结构件的结构特点确定，至少为4个，因为一般高温合金铸件的质心连接曲线为三维空间曲线，其曲率不在一个平面内。对于涡轮叶片，其叶身部分一般选取5～7个截面进行插值确定质心连接曲线，其榫根部位根据榫根部分的台阶确定所选截面处，一般原则是台阶处必选为截面，且台阶之间的连续区域则根据需要确定是否选取，一般可以只在台阶处选取截面。然后将选取的截面求取质心位置，质心求算软件使用MATLAB或其他编程软件。附件A给出MATLAB质心求算程序，该程序主要流程为：首先将选择的截面存为图片，图片的格式可为.bmp，.jpg，.png或.GIFf等多种格式(不同格式的像素不同，因此读取精度不同)，均能满足程序计算精度。然后利用MATLAB的读图命令将截面图读入程序，再将所读入的图片转换为二值图像，接下来在二值图像数据的基础上计算出质心所在的位置。质心位置的确定是为了建立后续横向截面散热分析的坐标原点。由于高温合金复杂结构件的复杂性，一般选取横向截面的质心不在同一条直线上，而是在一条空间曲线上，而且每个横向截面的外边界形状和大小均不同，这样的结构形式决定了在每个横向截面外缘对定向凝固炉冷却装置的散热情况都不同。

步骤3)沿垂直于高温合金铸件定向晶生长方向在内凹结构区选取若干个横向截面，然后对选取的若干个横向截面进行散热分析，得出每一个横向截面内凹部分的平均辐射角系数，其中，对选取的若干个横向截面进行散热分析的坐标原点为步骤2)中确定的质心连接曲线与选取的若干个横向截面的交点，平均辐射角系数为高温合金铸件横向截面内凹部分辐射到定向凝固炉冷却装置上的热量与高温合金铸件总散热量的比值。

该步骤中要求定向晶高温合金铸件必须保证单一热流方向，因此就必须保证在选取横向截面周向的温度一致性。本发明以选取横向截面的质心为坐标原点，建立坐标系，然后计算该横向截面外缘(即高温合金铸件的铸型外壁)特征区域(特征区域即铸型外壁的内凹结构区)的平均辐射角系数，以确定该截面外缘各特征区域的散热情况，根据该散热情况来选定高温合金铸件的铸型在定向凝固炉中的摆放位置。

因此，在确定上述要求的高温合金铸件的质心连接曲线后，本发明给出“平均辐射角系数大小比较法”进行高温合金铸件在定向凝固过程中散热情况的预测，从而根据定性凝固过程中的温度场分布确定高温合金铸件的铸型在定向凝固炉中的摆放位置。辐射角系数是反映相互辐射的不同物体之间几何形状与位置关系的系数，表示铸型表面投射到定向凝固炉冷却装置上的热量，即热量占总散发热量的百分比；也就是说，辐射角系数越大，定向凝固炉冷却装置带走的热量越大。因此，可以用辐射角系数的大小来表征散热量的大小，即辐射角系数越大，散热过程越顺利；散热过程越顺利，越有利于在定向晶生长方向形成更大的温度梯度，可以有效地提高定向晶高温合金铸件的制成率。由于辐射角系数与铸型几何形状和在定向凝固炉中的位置相关，所以必须给定一个统一的坐标系统，所计算获得的辐射角系数大小才具有可比较性。因此，选定每个横向截面的质心为坐标原点进行辐射角系数计算，这样获得的辐射角系数才具有可比性，才对散热情况有所表征。选择质心作为坐标原点，将分析对象的几何形状和位置因素都进行了考虑，对本发明要解决的问题：高温合金铸件的铸型摆放位置的确定建立了合适的基础。

4)调整铸型在定向凝固炉中的摆放位置，比较选取的若干个横向截面内凹部分的平均辐射角系数在铸型位于定向凝固炉中不同位置时的大小，当铸型所处的位置使得选取的各个横向截面内凹部分的平均辐射角系数的平均值大小最大时，为铸型在定向凝固炉中的最佳摆放位置。

本发明利用高温合金铸件内凹结构的“平均辐射角系数大小比较法”确定铸型在定向凝固炉中摆放位置。其中，“平均辐射角系数”的确定方法为：首先选取垂直于高温合金铸件定向晶生长方向的横向截面外缘内凹结构区为特征区，如涡轮叶片的叶盆为特征区，计算其整个内凹区域的平均辐射角系数，根据平均辐射角系数的大小来确定铸型的散热情况，从而确定铸型在定向凝固炉中合适的摆放位置。

确定高温合金铸件铸型在定向凝固炉中摆放位置的具体实施步骤为：在HRS(高速凝固法)定向凝固炉中，单一热流的控制中的冷却主要依靠铸型外壁向冷却装置的辐射进行散热。研究表明，如果离开热量表明的辐射通量是漫分布的，那么它将以均匀的强度离开该表面辐射到该表面上方的整个半球空间中去。高温合金铸件，如涡轮叶片的结构较为复杂，具有内凹结构区，即叶盆。叶盆由于其内凹的几何结构特点，叶盆上辐射出的热量部分仍被自身吸收，我们定义该现象为“自辐射现象”。而涡轮叶片的叶背、前缘和后缘这些凸结构向外辐射的热量则全部被发射到冷却装置上，针对涡轮叶片的这一特点，只有尽量扩大叶盆部位的辐射角系数，才能尽可能的保证叶盆部位和其他外凸结构区的散热量一致，才能尽可能地消除涡轮叶片在定向凝固过程中周向温度梯度，获得更好的定向晶组织，从而降低涡轮叶片的制成分散率。所以，本发明给出了求算高温合金铸件如涡轮叶片叶盆部位的平均辐射角系数求算方法：选取垂直于高温合金铸件定向晶生长方向的n个横向截面，其中，n＝5～7。如图1(a)、图1(b)和图2所示，利用平均辐射角系数大小比较法进行散热分析，其中，以涡轮叶片横向截面的质心为坐标原点建立坐标系，另外要保证高温合金铸件所在的定向凝固炉冷却装置的内壁对涡轮叶片的横向截面有全包围的关系。本发明推导出叶盆对外辐射的平均辐射角系数其计算公式为

式中，

和

其中，P′、Q′为内凹结构区任意一个横向截面内凹部分的切线与该处横向截面的两个切点，P、Q分别为P′、Q′所在直线与定向凝固炉冷却装置受辐射面的两个交点，M和N为该处横向截面P′、Q′在定向凝固炉冷却装置受辐射面的两个边界点，ε₁和ε₂分别是铸型和冷却装置的发射率；表示曲线面P′Q′对直线面P′M的平均辐射角系数，计算公式为 表示直线面P′M对曲线面PM的平均辐射角系数，计算公式为 表示曲线面P′Q′对曲线面MN的平均辐射角系数，计算公式为 表示曲线面P′Q′对直线面Q′N的平均辐射角系数，计算公式为 表示直线面Q′N对曲线面QN的平均辐射角系数，计算公式为L_P′Q′、L_P′M、L_Q′M、L_PM、L_P′P、L_P′N、L_Q′N、L_QN和L_QQ′分别表示线段P′Q′、P′M、Q′M、PM、P′P、P′N、Q′N、QN和Q′Q的长度，Arc_P′Q′和Arc_QN分别表示弧P′Q′和弧QN的弧长。在计算叶盆平均辐射角系数的过程中，上述所需参数在涡轮叶片设计形式确定，以及定向凝固炉型号确定的情况下容易获知上述各个直线段和弧段的长度，求算简单。

利用上述公式(1)计算出所选叶盆的各个横向截面内凹部分的平均辐射角系数的大小，然后对涡轮叶片铸型的摆放位置进行优化筛选，所选定铸型的摆放位置为各截面叶盆平均辐射角系数综合最大值处，其计算程序可由MATLAB软件完成，也可由其他编程软件完成，本发明附录B给出MATLAB程序。除了公式(1)中提到的材料参数即铸型和定向凝固炉冷却装置的发射率，和尺寸参数如直线长、弧长等参数，本程序所需提供的参数还有：叶片横截面结构参数，如切点P′和Q′的坐标，该坐标根据所建立的坐标系而定；还有定向凝固炉所在大圆的半径R_f，本发明在附录B中给出了所需要的原始输入参数，具体见附录B。

实施例：

本发明给出了一个确定某型号燃气轮机涡轮叶片铸型在定向凝固炉中摆放位置的实例。如图1(a)和(b)所示，为该涡轮叶片的铸型和叶片线框图，图2为叶片端部横向截面图，是应用本发明方法选取的一个横向截面，我们命名为截面1。截面1中图示的坐标原点为该截面的质心。计算程序应用附录A给出的MATLAB程序。

截面1的几何参数如下：P′(44.212395,28.167773)，Q′(-55.059670,55.14212395)；曲线Arc_P′Q′的长为109.8536；定向凝固炉的大圆所在的半径R_f为800；该实例中铸型材料的发射率为0.6，冷却装置材料的发射率为0.9。注意：以上所有参数的单位为mm，且以上所有几何参数的大小都是在质心坐标系下的相对值。

本例中省略其他横向截面图注和几何参数。一般情况下，在利用本发明中给出的方法时，均要选择高温合金铸件的被划分部分的断面作为特征截面，这样才符合内插值的要求，并且能够保证质心曲线计算的准确度。

根据本发明给出的方法，利用附录B中给出的程序进行计算，得到图3所示的叶盆平均辐射角系数随定向凝固炉冷却装置圆心坐标的大小变化图。注意，图3中的变化参数为定向凝固炉的圆心坐标。

由图3可知，随着叶背所在面越靠近冷却装置，其平均辐射角系数越大，即辐射散热情况越好。这样在定向凝固固液截面处更有利于形成较大温度梯度。因此，该燃气轮机涡轮叶片的摆放位置应该如图4所示：将叶背面向冷却装置，并且尽可能的将叶盆正对远处的冷却装置。

附录A：确定涡轮叶片质心的MATLAB程序

附录B：确定涡轮叶片铸型在定向凝固炉中摆放位置的MATLAB程序

Claims (4)

1.一种确定定向凝固铸造中铸型摆放位置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)沿高温合金铸件定向晶生长方向的周向外壁进行特征分割，将高温合金铸件的外壁划分为外凸结构区和内凹结构区；

2)确定高温合金铸件的质心连接曲线，所述质心连接曲线为垂直于高温合金铸件定向晶生长方向的横向截面质心的连线；

3)沿垂直于高温合金铸件定向晶生长方向在内凹结构区选取若干个横向截面，然后对选取的若干个横向截面进行散热分析，得出每一个横向截面内凹部分的平均辐射角系数，其中，对选取的若干个横向截面进行散热分析的坐标原点为步骤2)中确定的质心连接曲线与选取的若干个横向截面的交点，平均辐射角系数为高温合金铸件横向截面内凹部分辐射到定向凝固炉冷却装置上的热量与高温合金铸件横向截面内凹部分总散热量的比值；

4)调整铸型在定向凝固炉中的摆放位置，比较选取的若干个横向截面内凹部分的平均辐射角系数在铸型位于定向凝固炉中不同位置时的大小，当铸型所处的位置使得选取的各个横向截面内凹部分的平均辐射角系数的平均值大小最大时，为铸型在定向凝固炉中的最佳摆放位置。

2.根据权利要求1所述的确定定向凝固铸造中铸型摆放位置的方法，其特征在于，步骤2)中，质心连接曲线的确定包括以下步骤：首先沿高温合金铸件定向晶生长方向将实现不同功能的结构分开；接着选取各个结构两端的横向截面及其中间部分若干个横向截面；然后确定每一个横向截面的质心；最后利用各个横向截面的质心数据，结合内插值算法，确定高温合金铸件横向截面的质心连接曲线。

3.根据权利要求1或2所述的确定定向凝固铸造中铸型摆放位置的方法，其特征在于，步骤3)中，内凹结构区任意一个横向截面内凹部分的平均辐射角系数其计算公式为：

式中，

和

其中，P′、Q′为内凹结构区任意一个横向截面内凹部分的切线与该处横向截面的两个切点，P、Q分别为P′、Q′所在直线与定向凝固炉冷却装置受辐射面的两个交点，M和N为该处横向截面P′、Q′在定向凝固炉冷却装置受辐射面的两个边界点，ε₁和ε₂分别是铸型和冷却装置的发射率；表示曲线面P′Q′对直线面P′M的平均辐射角系数，计算公式为表示直线面P′M对曲线面PM的平均辐射角系数，计算公式为表示曲线面P′Q′对曲线面MN的平均辐射角系数，计算公式为表示曲线面P′Q′对直线面Q′N的平均辐射角系数，计算公式为表示直线面Q′N对曲线面QN的平均辐射角系数，计算公式为L_P′Q′、L_P′M、L_Q′M、L_PM、L_P′P、L_P′N、L_Q′N、L_QN和L_QQ′分别表示线段P′Q′、P′M、Q′M、PM、P′P、P′N、Q′N、QN和Q′Q的长度，Arc_P′Q′和Arc_QN分别表示弧P′Q′和弧QN的弧长。

4.根据权利要求1或2所述的确定定向凝固铸造中铸型摆放位置的方法，其特征在于，该高温合金铸件只有一个内凹结构区。