CN105290380B - 一种定向凝固叶片浇注系统用内置挡板的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于精密铸造领域，具体涉及一种定向凝固叶片浇注系统用内置挡板的设计方法。本发明采取浇注试验结合ProCAST软件模拟分析的方式来设计内置挡板，利用CAFE模块虚拟晶粒组织的生长状态，预测不设挡板叶片组织的生长方向发生畸变的部位。然后，分析温度场预判内置挡板对固液前沿形状的影响，并通过测量其倾斜角度同挡板直径间关系来确立挡板的大小，最终对叶片晶粒生长取向及晶粒度是否符合生产标准做出初步评估。本发明方法设计浇注系统能够节省大量的试制费用，试验脉络更加清晰，充分发挥技术人员在定向凝固叶片浇注系统内置挡板设计中的能动性。
Description
技术领域
本发明属于精密铸造领域，具体涉及一种定向凝固叶片浇注系统用内置挡板的设计方法。
背景技术
定向凝固技术是在铸型中建立特定方向的温度梯度，使液态金属沿着与热流方向相反方向，或沿晶体学优先方向进行凝固的工艺。定向凝固叶片的热流向单一方向流动并垂直于生长中的固液界面，因此定向叶片经低倍腐蚀后检测出的晶粒取向同固液界面前沿形状有十分紧密的联系，即保证一个水平的糊状区将有利于柱状晶沿主轴方向生长的直线程度。然而，由于叶型曲面的连续扭曲变化，炉体型壳同铸件之间辐射换热关系复杂，使叶片生产过程中柱状晶生长规律难以判断，柱状晶生长倾斜方向难以控制。在柱状晶长到一定高度以后柱状晶可能发生晶粒会聚所导致的断晶，也可能发生发散生长导致叶身上端晶粒粗大等现象。通常为满足验收标准要求，技术人员需要采取试错法对浇注系统设计进行摸索，由于环境人为因素的影响对变化的规律易于形成误判，拖延叶片研制进度。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种定向凝固叶片浇注系统用内置挡板的设计方法，目的是通过浇注试验结合ProCAST软件模拟分析的方式来设计内置挡板，控制定向凝固叶片柱状晶组织呈直线状伸展，保证结晶方向同主轴方向基本一致，偏离角度＜15°，柱状晶的发散度≤20°，同时缩短试制周期，降低生产成本。
实现本发明目的的技术方案按照以下步骤进行：
（1）组装无内置挡板的定向凝固叶片浇注系统，将浇口杯、上圆盘、中柱管、底盘和陶瓷叶片型壳组装在一起，置于真空炉水冷铜盘上，在真空炉中进行浇注试验，高温合金熔化后，在一定浇注温度T下经浇口杯进入陶瓷叶片型壳内，真空炉铸型室加热温度同样为T,经保温达到温度均匀、静止状态后，随水冷铜盘一起自上而下运动，在陶瓷叶片型壳内凝固的叶片形成自上而下的温度梯度，高温合金液在水冷铜盘的激冷作用下结晶，充满陶瓷叶片型壳的整个型腔，得到定向叶片铸件，在此过程中，充型时间为t，拉晶速度为v，选取叶片叶根、叶身一半高度及叶尖位置的等距离三点作为测温点，测量高温合金叶片不同位置温度随时间变化的冷却曲线，对得到的定向叶片铸件进行低倍组织腐蚀分析，统计叶片表面形核个数和体形核个数，并确定定向叶片铸件上最容易出现断晶的位置；
（2）采用ProCAST铸造过程模拟软件，调用visualCAST模块，设置和步骤（1）中实际浇注工艺相同的工艺参数：浇注温度T、真空炉铸型室加热温度T、充型时间t、拉晶速度为v，炉体辐射系数取0.7，作为铸造过程模拟的初始数值参数条件，热交换系数取值在300~1000W/m-2/K之间，在软件可视界面窗口得到模拟的定向叶片浇注过程中随时间变化的动态凝固图像，在动态凝固图像中的定向叶片上找到与步骤（1）中测温点位置相同的三个点，将这三点的冷却曲线和步骤（1）中的对应位置处的冷却曲线进行比较，通过调整热交换系数取值，使步骤（2）中的冷却曲线与步骤（1）中的冷却曲线一致，最终确定的热交换系数是和实际熔铸工艺最相符的热交换系数ε，以该热交换系数作为软件模块模拟的边界条件；然后调用模拟软件中计算组织场的CAFE模块，调整CAFE模块中的表面形核个数和体形核个数的参数取值，使其与步骤（1）中的叶片低倍组织腐蚀分析的表面形核个数和体形核个数一致；
（3）在步骤（2）中的数值参数和边界条件下，在软件可视界面窗口得到该条件下模拟的定向叶片浇注过程中随时间变化的动态凝固图像，在动态凝固图像中找到步骤（1）中对应的最容易出现断晶的位置，分析当该位置处于糊状区时，叶片凝固的固液界面是否水平，当叶片的凝固界面上叶片外侧先于叶片内侧凝固时，在实际浇注过程中需要调整叶片自身的摆放角度，通过将叶盆面、进气边朝外减缓外部散热，当叶片的凝固界面上叶片内侧先于叶片外侧凝固时，在实际浇注过程中需要设置内置挡板，减缓叶片内部散热；
（4）调用模拟软件中计算组织场的CAFE模块，在模拟软件的可视界面中模拟出叶片叶身上的柱状晶取向图，分析确定叶身出现晶粒断晶或取向偏离超过15°的位置，选取叶身晶粒畸变位置向下20mm作为内置挡板下沿位置，取叶身顶端高度向下20mm作为挡板上沿位置；
（5）继续调用模拟软件的visualCAST模块，将内置挡板的上沿位置和下沿位置、内置挡板与叶片内侧的距离d作为模拟的边界条件，再次在软件可视界面窗口得到模拟的定向叶片浇注过程中随时间变化的动态凝固图像，在动态凝固图像中找到步骤（1）中对应的最容易出现断晶的位置，分析当该位置处于糊状区时，叶片凝固的固液界面是否水平，当叶片的凝固界面上叶片外侧先于叶片内侧凝固时，说明叶片内侧散热过快，需要减小叶片与内置挡板的距离，当叶片的凝固界面上叶片内侧先于叶片外侧凝固时，说明叶片内侧散热过慢，需要增大叶片与内置挡板的距离，直到动态凝固图像中固液界面前沿呈水平直线，说明叶片内侧和外侧的散热速率一致，此时叶片与内置挡板之间的距离d作为设计距离；
调用计算组织场的CAFE模块，在模拟软件的可视界面中获得具有内置挡板条件下的叶片叶身上的柱状晶取向图，同标准对柱状晶组织要求进行对照，以确定晶粒取向是否符合交付条件；
（6）根据步骤（5）的内置挡板参数取值制造内置挡板，并进行蜡模组合，在中柱管上设置四处肋板，肋板上套设圆环形内置挡板，使内置挡板悬于叶片陶瓷型壳内侧，按照步骤（5）的最佳叶片浇注工艺参数取值进行实际浇注操作，获得柱状晶取向符合要求的定向叶片铸件。
与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：
本发明主要是利用ProCAST铸造仿真软件直观的模拟在特定熔铸环境下浇注糊状区的水平程度，并结合对定向叶片的测温、金相腐蚀结果分析，固化虚拟仿真边界条件，提高模拟准确度。本发明采取浇注试验结合ProCAST软件模拟分析的方式来设计内置挡板，利用CAFE模块虚拟晶粒组织的生长状态，预测不设挡板叶片组织的生长方向发生畸变的部位。然后，分析温度场预判内置挡板对固液前沿形状的影响，并通过测量其倾斜角度同挡板直径间关系来确立挡板的大小，最终对叶片晶粒生长取向及晶粒度是否符合生产标准做出初步评估。
通过本发明方法设计浇注系统能够节省大量的试制费用，试验脉络更加清晰，充分发挥技术人员在定向凝固叶片浇注系统内置挡板设计中的能动性，使工作人员对冶金缺陷实施有效预测，在浇注前采取对策，确保叶片的质量，缩短试制周期，降低生产成本。
附图说明
图1是现有技术中定向凝固叶片浇注系统的整体结构示意图；
其中：1：浇口杯；2：陶瓷叶片型壳；3：真空炉水冷铜盘；4：下拉装置；5:辐射挡板；6：加热装置；7：加热区；8：冷却区；
图2是叶片上测温点示意图；
其中：a：叶尖测温点；b：叶身一半高度测温点；c：叶根测温点；
图3是本发明实施例中软件模拟动态凝固图像中断晶位置处于糊状区时叶片凝固的固液界面示意图；
其中：s：固相区；l：液相区；sl：固液界面前沿线；（1）：三维模拟图；（2）：平面模拟图；
图4是本发明实施例中软件模拟出叶片叶身上的柱状晶取向图；
（3）：三维模拟图；（4）：平面模拟图；
图5是本发明实施例中确定叶片与内置挡板之间的设计距离后的断晶位置处于糊状区时叶片凝固的固液界面示意图；
其中：s：固相区；l：液相区；sl：固液界面前沿线；（5）：三维模拟图；（6）：平面模拟图；
图6是本发明实施例中确定最佳叶片浇注工艺参数取值后软件模拟出叶片叶身上的柱状晶取向图；
（7）：三维模拟图；（8）：平面模拟图；
图7是设置内置挡板后的叶片浇注系统立体结构示意图；
图8是设置内置挡板后的叶片浇注系统平面结构示意图；
图9是挡板结构示意图；
其中：1：浇口杯；2：陶瓷叶片型壳；9：上圆盘；10：底盘；11:内置挡板；12：肋板；13：中柱管。
具体实施方式
本发明实施例中使用的ProCAST 软件购买自美国 USE 公司。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
本实施例的定向凝固叶片浇注系统用内置挡板的设计方法按照以下步骤进行：
（1）组装无内置挡板的定向凝固叶片浇注系统，将浇口杯、上圆盘、中柱管、底盘和陶瓷叶片型壳组装在一起，陶瓷叶片型壳呈环形排布，相邻叶片最小间隔25mm，单壳厚度6~10mm，起始段设计为高度15~25mm长方体，顶部冒口设计成圆盘状，厚度15~20mm，在圆盘冒口及中注管连接部位用陶瓷片封堵不进料，置于真空炉水冷铜盘上，如图1所示，在真空炉中进行浇注试验，高温合金熔化后，在浇注温度1500℃下经浇口杯进入陶瓷叶片型壳内，真空炉铸型室加热温度同样为1500℃,经保温达到温度均匀、静止状态后，在下拉装置的作用下随水冷铜盘一起自上而下运动，在陶瓷叶片型壳内凝固的叶片形成自上而下的温度梯度，高温合金液在水冷铜盘的激冷作用下结晶，经螺旋选晶器选晶后充满陶瓷叶片型壳的整个型腔，得到定向叶片铸件，在此过程中，充型时间为5s，拉晶速度为4mm/s，选取叶片叶根、叶身一半高度及叶尖位置的等距离三点a、b、c作为测温点，如图2所示，测量高温合金叶片不同位置温度随时间变化的冷却曲线，对得到的定向叶片铸件进行低倍组织腐蚀分析，统计叶片表面形核个数1e+5，体形核个数1e+6，并确定定向叶片铸件上最容易出现断晶的位置；
（2）采用ProCAST铸造过程模拟软件，调用visualCAST模块，设置和步骤（1）中实际浇注工艺相同的工艺参数：浇注温度1500℃下、真空炉铸型室加热温度1500℃下、充型时间5s、拉晶速度为4mm/s，炉体辐射系数取0.7，作为铸造过程模拟的初始数值参数条件，热交换系数取值在300~1000W/m-2/K之间，在软件可视界面窗口得到模拟的定向叶片浇注过程中随时间变化的动态凝固图像，在动态凝固图像中的定向叶片上找到与步骤（1）中测温点位置相同的三个点，将这三点的冷却曲线和步骤（1）中的对应位置处的冷却曲线进行比较，通过调整热交换系数取值，使步骤（2）中的冷却曲线与步骤（1）中的冷却曲线一致，最终确定的热交换系数是和实际熔铸工艺最相符的热交换系数ε为700W/m-2/ K，以该热交换系数作为软件模块模拟的边界条件；然后调用模拟软件中计算组织场的CAFE模块，调整CAFE模块中的表面形核个数和体形核个数的参数取值，使其与步骤（1）中的叶片低倍组织腐蚀分析的表面形核个数和体形核个数一致；
（3）在步骤（2）中的数值参数和边界条件下，在软件可视界面窗口得到该条件下模拟的定向叶片浇注过程中随时间变化的动态凝固图像，在动态凝固图像中找到步骤（1）中对应的最容易出现断晶的位置，分析当该位置处于糊状区时，叶片凝固的固液界面是否水平，当叶片的凝固界面上叶片外侧先于叶片内侧凝固时，在实际浇注过程中需要调整叶片自身的摆放角度，通过将叶盆面、进气边朝外减缓外部散热，当叶片的凝固界面上叶片内侧先于叶片外侧凝固时，在实际浇注过程中需要设置挡板，减缓叶片内部散热，如图3所示，叶片凝固的固液界面上，叶片内侧凝固较快；
（4）调用模拟软件中计算组织场的CAFE模块，在模拟软件的可视界面中模拟出叶片叶身上的柱状晶取向图，如图4所示，分析确定叶身出现晶粒断晶或取向偏离超过15°的位置，选取叶身晶粒畸变位置向下20mm作为内置挡板下沿位置，取叶身顶端高度向下20mm作为挡板上沿位置；
（5）继续调用模拟软件的visualCAST模块，将内置挡板的上沿位置和下沿位置、内置挡板与叶片内侧的距离d作为模拟的边界条件，再次在软件可视界面窗口得到模拟的定向叶片浇注过程中随时间变化的动态凝固图像，在动态凝固图像中找到步骤（1）中对应的最容易出现断晶的位置，分析当该位置处于糊状区时，叶片凝固的固液界面是否水平，当叶片的凝固界面上叶片外侧先于叶片内侧凝固时，说明叶片内侧散热过快，需要减小叶片与内置挡板的距离，当叶片的凝固界面上叶片内侧先于叶片外侧凝固时，说明叶片内侧散热过慢，需要增大叶片与内置挡板的距离，直到动态凝固图像中固液界面前沿呈水平直线，如图5所示，说明叶片内侧和外侧的散热速率一致，此时叶片与内置挡板之间的距离30mm作为设计距离；
调用计算组织场的CAFE模块，在模拟软件的可视界面中获得具有内置挡板条件下的叶片叶身上的柱状晶取向图，如图6所示，同标准对柱状晶组织要求进行对照，通过调整步骤（2）中的参数：浇注温度T、真空炉铸型室加热温度T、充型时间v1、拉晶速度为v2数值，使在模拟软件的可视界面中叶片叶身上的柱状晶取向图与标准对柱状晶组织，此时的参数取值为最佳叶片浇注工艺参数取值，本实施例中最终确定的最佳工艺参数为：浇注温度1510℃、真空炉铸型室加热温度1510℃、充型时间6s、拉晶速度为5mm/s；
（6）根据步骤（5）的内置挡板参数取值制造内置挡板，内置挡板本身壁厚设计为壁厚2mm，并进行蜡模组合，在中柱管上用粘接蜡固定设置四处肋板，肋板自身壁厚2mm，肋板上套设圆环形内置挡板，使内置挡板悬于叶片陶瓷型壳内侧，本实施例中底盘大小随真空水冷盘直径确定为Ф200mm，中注管直径为Ф20mm，叶片与内置挡板之间的距离30mm，如图7~图9所示，然后按照步骤（5）的最佳叶片浇注工艺参数取值进行实际浇注操作，获得柱状晶取向符合要求的定向叶片铸件。
Claims (1)
1.一种定向凝固叶片浇注系统用内置挡板的设计方法，其特征在于按照以下步骤进行：
（1）组装无内置挡板的定向凝固叶片浇注系统，将浇口杯、上圆盘、中柱管、底盘和陶瓷叶片型壳组装在一起，置于真空炉水冷铜盘上，在真空炉中进行浇注试验，高温合金熔化后，在一定浇注温度T下经浇口杯进入陶瓷叶片型壳内，真空炉铸型室加热温度同样为T,经保温达到温度均匀、静止状态后，随水冷铜盘一起自上而下运动，在陶瓷叶片型壳内凝固的叶片形成自上而下的温度梯度，高温合金液在水冷铜盘的激冷作用下结晶，充满陶瓷叶片型壳的整个型腔，得到定向叶片铸件，在此过程中，充型时间为t，拉晶速度为v，选取叶片叶根、叶身一半高度及叶尖位置的等距离三点作为测温点，测量高温合金叶片不同位置温度随时间变化的冷却曲线，对得到的定向叶片铸件进行低倍组织腐蚀分析，统计叶片表面形核个数和体形核个数，并确定定向叶片铸件上最容易出现断晶的位置；
（2）采用ProCAST铸造过程模拟软件，调用visualCAST模块，设置和步骤（1）中实际浇注工艺相同的工艺参数：浇注温度T、真空炉铸型室加热温度T、充型时间t、拉晶速度为v，炉体辐射系数取0.7，作为铸造过程模拟的初始数值参数条件，热交换系数取值在300~1000W/m-2/K之间，在软件可视界面窗口得到模拟的定向叶片浇注过程中随时间变化的动态凝固图像，在动态凝固图像中的定向叶片上找到与步骤（1）中测温点位置相同的三个点，将这三点的冷却曲线和步骤（1）中的对应位置处的冷却曲线进行比较，通过调整热交换系数取值，使步骤（2）中的冷却曲线与步骤（1）中的冷却曲线一致，最终确定的热交换系数是和实际熔铸工艺最相符的热交换系数ε，以该热交换系数作为软件模块模拟的边界条件；然后调用模拟软件中计算组织场的CAFE模块，调整CAFE模块中的表面形核个数和体形核个数的参数取值，使其与步骤（1）中的叶片低倍组织腐蚀分析的表面形核个数和体形核个数一致；
（3）在步骤（2）中的数值参数和边界条件下，在软件可视界面窗口得到该条件下模拟的定向叶片浇注过程中随时间变化的动态凝固图像，在动态凝固图像中找到步骤（1）中对应的最容易出现断晶的位置，分析当该位置处于糊状区时，叶片凝固的固液界面是否水平，当叶片的凝固界面上叶片外侧先于叶片内侧凝固时，在实际浇注过程中需要调整叶片自身的摆放角度，通过将叶盆面、进气边朝外减缓外部散热，当叶片的凝固界面上叶片内侧先于叶片外侧凝固时，在实际浇注过程中需要设置内置挡板，减缓叶片内部散热；
（4）调用模拟软件中计算组织场的CAFE模块，在模拟软件的可视界面中模拟出叶片叶身上的柱状晶取向图，分析确定叶身出现晶粒断晶或取向偏离超过15°的位置，选取叶身晶粒畸变位置向下20mm作为内置挡板下沿位置，取叶身顶端高度向下20mm作为挡板上沿位置；
（5）继续调用模拟软件的visualCAST模块，将内置挡板的上沿位置和下沿位置、内置挡板与叶片内侧的距离d作为模拟的边界条件，再次在软件可视界面窗口得到模拟的定向叶片浇注过程中随时间变化的动态凝固图像，在动态凝固图像中找到步骤（1）中对应的最容易出现断晶的位置，分析当该位置处于糊状区时，叶片凝固的固液界面是否水平，当叶片的凝固界面上叶片外侧先于叶片内侧凝固时，说明叶片内侧散热过快，需要减小叶片与内置挡板的距离，当叶片的凝固界面上叶片内侧先于叶片外侧凝固时，说明叶片内侧散热过慢，需要增大叶片与内置挡板的距离，直到动态凝固图像中固液界面前沿呈水平直线，说明叶片内侧和外侧的散热速率一致，此时叶片与内置挡板之间的距离d作为设计距离；
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
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