CN104749194A - 一种预测定向凝固铸件中显微缩松的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种定向凝固铸件显微缩松缺陷的预测方法，其特征在于：采用判据函数G/R预测定向凝固铸件中的显微缩松分布，其中G（℃/mm）和R（mm/min）分别为定向凝固过程中铸件固液界面前沿液相中的温度梯度与铸件凝固速率；当定向凝固铸件凝固过程中存在某一区的判据函数G/R≤C时，定向凝固铸件的该区域中会出显微缩松缺陷，其中C为一常数，其大小与铸件所用合金成分有关。该方法可以实现定向凝固铸件中的显微缩松缺陷的数值模拟预测，为缩短定向凝固铸件的研制周期提供有利条件。
Description
技术领域
本发明涉及一种预测定向凝固铸件中显微缩松的方法，属于定向凝固铸造领域。
背景技术
在定向叶片生产过程中，除对斜晶、断晶、杂晶和雀斑等缺陷有限制外，对定向叶片内部的显微缩松等级也有严格要求。在实际定向凝固铸件生产中，人们常借助数值模拟技术确定定向凝固过程工艺参数，以消除定向凝固铸件中的斜晶、断晶及杂晶等缺陷，但是，在这种工艺条件下生产的定向凝固铸件，仍然需要通过铸件解剖来保证该工艺条件下生产的定向凝固铸件中不存在严重的显微缩松。
发明内容
本发明的目的在于提供一种定向凝固铸件显微缩松缺陷的预测方法，该方法可以实现定向凝固铸件中的显微缩松缺陷的数值模拟预测，为缩短定向凝固铸件的研制周期提供有利条件。
本发明提供了一种预测定向凝固铸件中显微缩松的方法，其特征在于：采用判据函数G/R预测定向凝固铸件中的显微缩松分布，其中G（℃/mm）和R（mm/min）分别为定向凝固过程中铸件固液界面前沿液相中的温度梯度与铸件凝固速率；当定向凝固铸件凝固过程中存在某一区的判据函数G/R≤C时，定向凝固铸件的该区域中会出显微缩松缺陷，其中C为一常数，其大小与铸件所用合金成分有关。
本发明所述预测定向凝固铸件中显微缩松的方法，其特征在于，判据函数G/R的临界值C的获取方法为：
①采用合金浇注定向试样，测量试样的冷却曲线（优选3～5条）；
②对试样进行射线检验，观察是否有宏观缩松；如果没有宏观缩松，解剖试样，确定显微缩松范围；如果有宏观缩松，则重新设计试验参数（如降低浇注温度，降低抽拉速率，增加型壳预热温度等），进行试验，直到获得存在显微缩松而没有宏观缩松的试样；
③调整计算模型参数（如界面换热系数等），使计算所得冷却曲线和试验测量冷却曲线重合；改变判据值，当计算所得显微缩松范围和试验所得显微缩松范围一致时，此判据值即为所用合金显微缩松判据函数临界值C。
本发明所述预测定向凝固铸件中显微缩松的方法，在获取临界值C时，采用有限差分方法计算铸件凝固界面前沿的温度梯度和凝固速率，其中温度梯度取与计算单元相邻的26个方向中计算梯度值最大的方向的温度梯度，凝固速率取合金固相线的推进速率。
本发明所述预测定向凝固铸件中显微缩松的方法，其特征在于：在获取临界值C时，若计算所得区域比显微缩松区域大，调小判据值，重新计算；若计算所得区域比显微缩松区域小，增加判据值，重新计算。
本发明采用判据函数G/R来预测铸件中的显微缩松。由于定向凝固铸件中的等轴晶、雀斑等缺陷也可通过G和R这两个参数进行预测，故采用G和R这两个参数预测定向凝固铸件中显微缩松缺陷，可以减少定向凝固过程中铸造缺陷预测的计算量，并且有助于完善定向凝固铸造缺陷预测方面的温度梯度与凝固速率的关系图。
附图说明
图1用于获取合金显微缩松判据临界值C的试样及其测温位置（其中1#～5#为测温位置）。
图2某定向叶片。
图3距离叶片底部85mm处横截面试验与计算所得显微缩松分布对比。
图4距离叶片底部100mm处横截面试验与计算所得显微缩松分布对比。
具体实施方式
实施例1
为了使本发明所提供的方法更加直观清楚，以下采用某定向高温合金为试验材料，合金成分（wt%）：C：0.01～0.18，Cr:8.00～12.50，Co:6.00～10.50，Mo:0.80～3.20，W:3.50～7.20，Al:3.00～5.50，Ti:0.50～4.0，Ta:5.00～7.00，Ni余量，以液态金属冷却定向凝固铸造某叶片为例，对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
1、获得判据函数临界值C
（1）制备图1所示试样型壳，并在相应位置（1#～5#位置）固定钨铼热电偶（WRe5-26），连接多通道测温仪（MV-2020），将型壳固定在液态金属冷却定向炉上。
（2）采用液态金属冷却法浇注定向试样，浇注工艺参数为：
①保温炉上区温度1530℃，下区温度1550℃；
②浇注温度1550℃；
③浇注后静置2min开始抽拉，抽拉速率24mm/min，行程240mm；
④抽拉开始时锡液温度260℃；
⑤真空度0.1～3Pa；
⑥型壳起始位置：型壳底部位于保温炉底向上20mm，保温炉底与锡液面间距20mm。
（3）对试样进行射线检验，无宏观缩松。
（4）解剖试样，标出显微缩松范围。
（5）调整计算参数，使计算得到的各个位置的冷却曲线与测量得到的该位置温度曲线重合。
（6）计算试样中判据函数G/R≤1℃·min/cm2的区域，与实测显微缩松分布进行比较。计算过程中，采用有限差分方法计算铸件凝固界面前沿的温度梯度和凝固速率，其中温度梯度取与计算单元相邻（面相邻，棱相邻，点相邻）的26个方向中计算梯度值最大的方向的温度梯度，凝固速率取合金固相线的推进速率。计算过程中，若计算所得区域大，调小判据值，重新计算；若计算所得区域小，增加判据值，重新计算。直到计算所得区域与显微缩松区域在大小和位置一致。记录此时的判据函数值C（1.6℃·min/cm2）即为所用合金的判据函数值。
2、某叶片的显微缩松缺陷预测
（1）选用某叶片，形如图2，叶片铸件轮廓为300mm×130mm×40mm，质量约5kg。
（2）采用液态金属冷却法，在三室真空定向炉上浇注定向叶片，浇注工艺参数为：
①保温炉上区温度1530℃，下区温度1530℃；
②浇注温度1550℃；
③浇注后静置2min开始抽拉，抽拉速率30mm/min，行程300mm；
④抽拉开始时锡液温度270℃；
⑤真空度0.1～3Pa；
⑥型壳起始位置：型壳底部位于保温炉底向上20mm，保温炉底与锡液面间距20mm。
（3）根据浇注工艺参数计算叶片中G/R≤1.6℃·min/cm2的区域，并获得叶片距离底部85mm和100mm处截面的显微缩松区域。
（4）根据计算结果解剖叶片，检测叶片距离底部85mm和100mm处截面的显微缩松分布范围，与计算所得的该两截面的G/R≤1.6℃·min/cm2的区域进行比较，结果如图3及图4所示。
（5）判据预测结果
从图3中可以看出，距离叶片底部85mm处试验所得显微缩松范围大小为24mm×5mm，位于叶片内侧叶盆处，计算得到该截面的显微缩松范围大小为28mm×4mm，也位于叶片内侧叶盆处。计算结果与试验结果相近。
如图4所示，距离叶片底部100mm处试验所得显微缩松范围大小为4mm×4mm，距离叶片进气边40mm，计算得到该截面的显微缩松范围大小为4mm×2mm，距离叶片进气边34mm。对于显微缩松范围大小计算结果与试验结果相近，对于显微缩松的位置计算结果误差略大，约为15%。计算结果基本准确。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种预测定向凝固铸件中显微缩松的方法，其特征在于：采用判据函数G/R预测定向凝固铸件中的显微缩松分布，其中G和R分别为定向凝固过程中铸件固液界面前沿液相中的温度梯度与铸件凝固速率；当定向凝固铸件凝固过程中存在某一区的判据函数G/R≤C时，定向凝固铸件的该区域中会出显微缩松缺陷，其中C为一常数，其大小与铸件所用合金成分有关。
2.按照权利要求1所述预测定向凝固铸件中显微缩松的方法，其特征在于，判据函数G/R的临界值C的获取方法为：
①采用合金浇注定向试样，测量试样的冷却曲线；
②对试样进行射线检验，观察是否有宏观缩松；如果没有宏观缩松，解剖试样，确定显微缩松范围；如果有宏观缩松，则重新设计试验参数，进行试验，直到获得存在显微缩松而没有宏观缩松的试样；
③调整计算模型参数，使计算所得冷却曲线和试验测量冷却曲线重合；改变判据值，当计算所得显微缩松范围和试验所得显微缩松范围一致时，此判据值即为所用合金显微缩松判据函数临界值C。
3.按照权利要求2所述预测定向凝固铸件中显微缩松的方法，其特征在于：测量试样冷却曲线的条数为3～5条。
4.按照权利要求2所述预测定向凝固铸件中显微缩松的方法，其特征在于：在获取临界值C时，若计算所得区域比显微缩松区域大，调小判据值，重新计算；若计算所得区域比显微缩松区域小，增加判据值，重新计算。
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