CN111872324B - 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 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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

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。

申请号为CN201710908582.7的中国发明专利涉及一种薄壁锥体结构铝合金铸件的精密铸造浇注系统。所述的横浇道是十字形横浇道；在十字形横浇道的每个辐射浇道上有一个连通铸件型腔和辐射浇道的辐射浇道内浇口。该发明浇注系统的优点是避免了较高的充型落差压力冲刷铸型表面而产生夹渣缺陷；消除了因较高的充型速度导致的疏松、针孔缺陷；避免了凝固末期因补缩不足而产生的疏松或偏析缺陷。然而，该专利发明的十字形横浇道在锥形结构铸件铸造方面取得了较好的补缩效果，但是，对于三角形铸件或其他结构复杂的铸件若采用十字形横浇道金属液到达铸件远端的时间差异巨大，导致铸件缺陷增多，无法适用于其他结构铸件浇冒系统设计，难以直接用于其他结构复杂薄壁铸件研制。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供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。

根据本发明第一个方面提供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，包括：

计算高温合金的结晶温度间隔和动态粘度随温度变化曲线，得到所述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，换算得到铸件和模壳间不同温度下界面换热系数；

测定所述高温合金随温度变化的线膨胀系数。

优选地，所述获取铸件在不同厚度条件下的冷却曲线，包括：

将所述铸件根据壁厚区间设计为多个不同厚度并呈阶梯型分布的台阶结构，在模壳内浇筑形成不同厚度的台阶铸件；

在不同厚度的所述台阶铸件内部、台阶铸件与模壳交界面以及模壳表面布设热电偶，采集不同厚度的所述台阶铸件内部、台阶铸件与模壳交界面以及模壳表面的冷却曲线。

优选地，所述台阶的数量最少为2个。

本发明第二个发明提供一种大型复杂薄壁高温合金铸件浇冒系统网格化设计方法，采用上述采集方法获得热力学参数、界面换热系数以及线膨胀系数的结果进行，采用上述结果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。

优选地，包括：

建立网格化的浇冒系统：

将铸件按照重心最低的摆放方式进行放置，所述铸件为大型复杂薄壁高温合金铸件；将所述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，并确保所述单元格尺寸小于该厚度补缩距离；在不同模块上分别布置圆锥型浇冒口，所述圆锥型浇冒口的底部直径等于该模块对应的厚度，所述圆锥型浇冒口的顶部直径为底部1.2-1.5倍，所述圆锥型浇冒口的高度等于底部直径；获取所有圆锥型浇冒口中顶部直径的最大值Φmax，在基于以形补形的原则下，选用直径为最大值Φmax的圆柱，以四边形为基本单元，通过所述圆柱将所有所述圆锥型浇冒口的顶部连接，形成网格化的浇冒系统；

考虑到所述网格化的浇冒系统的网格间的交互作用，对所述铸件及所述网格化的浇冒系统进行充型与凝固模拟，获得所述铸件的缺陷模拟结果。

优选地，所述通过所述圆柱将所有所述圆锥型浇冒口的顶部连接，形成网格化的浇冒系统包括以下连接方式：将所有模块中位于拐角处圆锥型浇冒口与最近邻的两个圆锥型浇冒口通过所述圆柱连接；将所有模块中位于侧棱处所述圆锥型浇冒口与最近邻三个所述圆锥型浇冒口通过所述圆柱连接，将所有模块中位于中间部位所述圆锥型浇冒口与最近邻的四个所述圆锥型浇冒口通过所述圆柱连接；之后，如果该部位还存在缺陷，再将上述位于拐角处圆锥型浇冒口与次近邻的圆锥型浇冒口通过所述圆柱连接。

优选地，在所述的对所述铸件及所述网格化的浇冒系统进行充型与凝固模拟之后，还包括对获得所述缺陷模拟结果进行分析，调整所述网格化的浇冒系统的所有圆锥型浇冒口顶部尺寸、圆柱尺寸以及连接方式，优化所述网格化的浇冒系统的补缩和约束作用，反复进行模拟，直到模拟缺陷小于设计需求。

优选地，所述的对所述铸件及所述网格化的浇冒系统进行充型与凝固模拟，包括：对不同粗细管状铸件进行模拟，确定不同粗细管状铸件的补缩距离。

优选地，在建立网格化的浇冒系统之后，以及对所述铸件及所述网格化的浇冒系统进行充型与凝固模拟之前，还包括：采用有限元软件分析获取所述铸件与充型系统整体结构的重心，在重心处安放主浇道入口；主浇道采用圆柱形结构，所述主浇道与所述网格化浇冒系统的所述圆柱连接，所述主浇道将金属液从熔炼坩埚引流到所述网格化浇冒系统。

优选地，所述的考虑到网格化的浇冒系统的网格间的交互作用，对所述铸件及所述网格化的浇冒系统进行充型与凝固模拟包括：借助ProCAST有限元软件，对铸件及网格化的浇冒系统进行充型与凝固模拟。

与现有技术相比，本发明具有如下至少一种的有益效果：

本发明上述采集方法，结合高温合金热物性计算与实验测试获得热物理性能参数，克服了以往经验式设置模拟边界条件导致的不准确性，确保了铸件充型与凝固模拟结果的可靠性。

本发明上述浇冒系统网格化设计方法，采用“以形补形，以大化小，以繁化简，以低换高”的思路，具体的，采用以形补形设计铸浇冒系统的主体结构，将大型铸件结构进行模块划分，形成网格化复杂结构，压头避高就低，基于凝固过程模拟确定补缩距离的同时，充分考虑网格间的交互作用，在此基础上，借助铸造有限元模拟反复迭代，最小化缩孔缩松缺陷的同时也提高了铸件的尺寸精度，此外，大幅减少了大型复杂薄壁铸件合格品的研制成本和缩短了研发周期，这些优点是现有半经验式浇冒系统设计方法所无法比拟的。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明一优选实施例的大型复杂薄壁高温合金铸件凝固模拟用参数采集方法；

图中标记分别表示为：1为模壳、2为第一台阶、3为第二台阶、4为第三台阶、5为第四台阶、6为第一热电偶、7为第二热电偶、8为第三热电偶、9为第四热电偶、10为第五热电偶、11为第六热电偶、12为第七热电偶、13为第八热电偶、14为第九热电偶、15为第十热电偶、16为第十一热电偶、17为第十二热电偶。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在本发明一优选实施例中，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，包括：

S1,计算高温合金的结晶温度间隔和动态粘度随温度变化曲线，得到高温合金的热力学参数。作为一优选，可以采用热力学计算软件JmaPro，计算高温合金的结晶温度间隔、热导率、动态粘度以及线膨胀系数等参数，获得结晶温度间隔和动态粘度随温度变化曲线。

S2,获取高温合金在不同厚度条件下的冷却曲线，换算得到铸件和模壳间不同温度下界面换热系数。

S3,测定高温合金随温度变化的线膨胀系数。作为一优选，可以采用热膨胀仪器测定高温合金的线膨胀系数。

在其他部分优选实施例中，获取铸件在不同厚度条件下的冷却曲线，包括：将铸件根据壁厚区间设计为多个不同厚度并呈阶梯型分布的台阶结构，在模壳内浇筑形成不同厚度的台阶铸件。可以采用传统的熔模铸造浇注工艺，浇注台阶铸件。例如，具体参照图1所示，根据大型复杂薄壁高温合金铸件壁厚区间，设计不同厚度的四级台阶铸件，分别为厚度为20mm的第一台阶2、厚度为10mm第二台阶3、厚度为5mm的第三台阶4和厚度为2mm的第四台阶5。

在上述获得不同厚度的台阶铸件的内部、台阶铸件与模壳交界面以及模壳表面布设热电偶，可以采用计算机采集不同厚度的台阶铸件内部、台阶铸件与模壳交界面以及模壳表面的冷却曲线。通常情况下真实铸件不同部位冷却速度差异巨大，导致不同时间不同厚度部位温度差异巨大，而铸件与模壳之间换热系数与温度密切相关，通过布置热电偶能采集不同部位冷却曲线，优化模拟过程的边界条件和换热系数设置，以提高模拟精度。参照图1所示，热电偶在不同同厚度的台阶铸件的内部、台阶铸件与模壳1交界面以及模壳1的分布情况：在不同厚度的铸件台阶内部布置热电偶，在第一台阶2、第二台阶3、第三台阶4及第四台阶5的内部分别设置第一热电偶6、第二热电偶7、第三热电偶8以及第四热电偶9；在每个台阶铸件与模壳1交界面分别设置第五热电偶10、第六热电偶11、第七热电偶12及第八热电偶13，以及在每个台阶铸件对应的模壳1表面分别设置第九热电偶14、第十热电偶15、第十一热电偶16及第十二热电偶17。

在本发明另一实施例中，提供一种大型复杂薄壁高温合金铸件浇冒系统网格化设计方法，该方法包括：采用上述采集方法获得热力学参数、界面换热系数以及线膨胀系数的结果进行，将上述结果导入ProCAST铸造模拟软件，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，使得模拟所用的参数更加贴近工程实践真实环境，从而保证模拟结果的可靠性。

在其他部分优选实施例中，大型复杂薄壁高温合金铸件浇冒系统网格化设计方法可以包括以下步骤：

S1：建立网格化的浇冒系统：

基于避高就低的原则，将大型复杂薄壁高温合金铸件按照重心最低的摆放方式进行放置。基于以大化小和以繁化简的思路，将大型复杂薄壁高温合金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，并确保铸件每个厚度下单元格尺寸小于该厚度补缩距离，否则，将补缩不足，产生缩孔缩松缺陷。在不同模块上分别布置多个圆锥型浇冒口，且多个圆锥型浇冒分别位于每个模块的四个角上，圆锥型浇冒口的底部直径等于该部位厚度，圆锥型浇冒口的顶部直径为底部直径的1.2-1.5倍，高度等于底部直径。将以上圆锥型浇冒口的顶部直径进行统计分析，获取所有圆锥型浇冒口中顶部直径尺寸的最大值(Φmax)。在基于以形补形的原则，选用直径为最大值(Φmax)的圆柱，采用四边形为基本单元，通过圆柱将以上所有圆锥型浇冒口的顶部连接，形成网格化的浇冒系统。

作为一优选方式，上述的通过圆柱将以上所有圆锥型浇冒口的顶部连接，形成网格化的浇冒系统包括以下三种连接方式，第一种连接方式是将模块位于拐角处每个圆锥型浇冒口与最近邻的两个圆锥型浇冒口通过圆柱连接；第二种连接方式是将模块位于侧棱处每个圆锥型浇冒口与最近邻三个圆锥型浇冒口通过圆柱连接；第三种连接方式是将模块位于中间部位每个圆锥型浇冒口与最近邻的四个圆锥型浇冒口通过圆柱连接。如果该部位还存在缺陷，在以上三种连接基础上，再增加次近邻圆锥型冒口连接，再将位于拐角处每个圆锥型浇冒口与次近邻的两个圆锥型浇冒口通过圆柱连接。

S2：充分考虑上述网格化的浇冒系统的网格间的交互作用，在此基础上，进一步借助ProCAST铸造模拟软件(有限元软件)，对高温合金铸件及网格化的浇冒系统进行充型与凝固模拟，获得高温合金铸件的缺陷模拟结果。

在其他部分优选实施例中，在上述的对高温合金铸件及所述网格化的浇冒系统进行充型与凝固模拟之后，包括对获得缺陷模拟结果进行分析，调整网格化的浇冒系统的尺寸(圆锥型浇冒口顶部的尺寸和圆柱的尺寸)和连接方式(圆锥型浇冒口的连接方式)。当模拟结果显示某些局部缺陷非常多，将缺陷多的部位，在以上三种连接基础上，再增加次近邻圆锥型冒口连接，再将位于拐角处每个圆锥型浇冒口与次近邻的两个圆锥型浇冒口通过圆柱连接。优化网格化的浇冒系统的补缩和约束作用，反复迭代，直到铸件的模拟缺陷小于设计需求。

在其他部分优选实施例中，在建立网格化的浇冒系统之前包括：采用有限元软件分析大型复杂薄壁高温合金铸件与充型系统整体结构的重心，将其重心位置选为主浇道入口；主浇道采用圆柱形。圆柱形主浇道直径为3倍的Φmax(圆锥型浇冒口的顶部直径的最大值)，圆柱形主浇道高度为200-300mm。

上述实施例是针对现有大型复杂薄壁高温合金铸件浇冒系统设计方面的不足，提供一种大型复杂薄壁高温合金铸件浇冒系统网格化设计方法，以期为尺寸精度高与内部质量好的航空航天大型复杂薄壁高温合金铸件研制提供支持，也给铸造工程师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。

基于上述方法，以下结合具体应用实例来进一步说明实现的细节，但是这些细节不用于限定本发明。

在一应用实例中，以某圆型航空发动机机匣铸件为例，进一步说明上述大型复杂薄壁高温合金铸件凝固模拟用参数采集方法以及大型复杂薄壁高温合金铸件浇冒系统网格化设计方法。该机匣铸件采用K4169高温合金精密成型，其直径1360mm，高度300mm，最小壁厚2mm。具体的，K4169高温合金机匣铸件凝固模拟用参数采集方法包括：

M101,采用JMatPro热力学计算软件计算K4169高温合金的结晶温度间隔和动态粘度随温度变化曲线。

M102,获取K4169高温合金在不同厚度条件下的冷却曲线，换算得到铸件和模壳间不同温度下界面换热系数。K4169高温合金机匣铸件采用四级台阶形铸件，获得了K4169高温合金机匣铸件在不同厚度条件下的冷却曲线，换算为K4169高温合金机匣铸件和模壳间不同温度下换热系数。

M103,采用热膨胀仪测定了K4169高温合金随温度变化的线膨胀系数。

本实施例还提供一种K4169高温合金机匣铸件浇冒系统网格化设计方法，基于上述实施例获得高温合金的热力学参数、换热系数及线膨胀系数进行，包括：

M201,将以上获得的各类系数和曲线带入ProCAST模拟软件，进行补缩距离的确定，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；以及大型复杂薄壁高温合金铸件充型与凝固过程模拟。

基于避高就低的原则，将K4169高温合金机匣铸件按照重心最低摆放原则，进行平放。基于以大化小和以繁化简的思路，按照厚度进行机匣铸件模块划分，分为厚壁的法兰、中等壁厚的侧壁和薄壁的支板壁面等三种模块，并对每个模块的内部进行单元格划分，按照单元格尺寸小于这三类厚度补缩距离的规则。在三种模块上布置圆锥型浇冒口后，圆锥型浇冒口的底部直径等于三种模块对应厚度，圆锥型浇冒口的顶部直径为底部1.35倍，高度等于底部直径。将以上圆锥型浇冒口的顶部直径进行统计分析，获得最大直径尺寸为30mm。在基于以形补形的原则，选用直径为30mm的圆柱，采用四边形为基本单元，将以上所有圆锥型浇冒口的顶部连接，形成网格化的浇冒系统。采用有限元软件分析该K4169高温合金机匣铸件与充型系统整体结构的重心，发现重心为机匣中心位置。将该中心位置选为主浇道入口，圆柱形主浇道直径为90mm。高度为270mm。

M202,充分考虑网格间的交互作用，在此基础上，进一步借助ProCAST有限元软件，对K4169高温合金机匣铸件及其浇冒系统进行充型与凝固模拟，分析缺陷模拟结果，微调网格化浇冒系统的尺寸和连接方式优化网格的补缩和约束作用，反复迭代，直到模拟法兰位置缺陷小于Ⅲ级，侧壁和支板壁面缺陷小于Ⅰ级。

采用上述方法设计的浇冒系统，经过压蜡、制壳和浇注成型后，发现该K4169高温合金机匣铸件内部质量满足设计需求，铸件尺寸精度为CT6级，出品率比常规浇冒系统设计方法提高30％。此外，作为对比研究，也采用ProCAST软件系统自带的热力学参数、线膨胀系数和推荐的换热系数等参数，模拟了上述浇冒系统，发现自带参数模拟缺陷结果与实验缺陷结果差异大于使用本发明方法采集参数的模拟结果，说明了本发明可以较好的用于圆形高温合金铸件浇冒系统设计。

在另一应用实例中，以某方型薄壁高温合金铸件为例，进一步说明上述实施例的大型复杂薄壁高温合金铸件凝固模拟用参数采集方法以及大型复杂薄壁高温合金铸件浇冒系统网格化设计方法。该高温合金铸件采用K447A高温合金精密成型，长度350mm，高度260mm，壁厚2.5mm，属于异型薄壁件，且存在C形结构，主要存在两个厚度尺寸，分别是5mm的凸台和2.5mm的蒙皮。具体的，方型薄壁K447A高温合金铸件凝固模拟用参数采集方法包括：

M101,采用JMatPro热力学计算软件计算了高温合金的结晶温度间隔和动态粘度随温度变化曲线。

M102,获取高温合金在不同厚度条件下的冷却曲线，换算得到铸件和模壳间不同温度下界面换热系数。采用两级台阶形铸件，获得了K447A高温合金在不同厚度条件下的冷却曲线，换算为铸件和模壳间不同温度下换热系数。

M103,采用热膨胀仪测定了K447A高温合金随温度变化的线膨胀系数。

本实施例还提供一种方型薄壁K447A高温合金铸件浇冒系统网格化设计方法，基于上述实施例获得高温合金的热力学参数、换热系数及线膨胀系数进行，包括：

M201,将以上获得的各类系数和曲线带入ProCAST模拟软件，进行补缩距离的确定，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；以及大型复杂薄壁高温合金铸件充型与凝固过程模拟。

基于避高就低的原则，将方型薄壁高温合金铸件按照重心最低摆放原则，进行平放。基于以大化小和以繁化简的思路，按照厚度进行方型薄壁高温合金铸件的模块划分，分为厚壁的凸台和薄壁的蒙皮等两种模块，并对这两种模块的内部进行单元格划分，应确保单元格尺寸小于该厚度补缩距离。按照上述单元格尺寸应小于这两种厚度补缩距离的规则，在两种模块上布置圆锥型浇冒口后，圆锥型浇冒口的底部直径等于两种模块对应厚度，圆锥型浇冒口的顶部直径为底部1.2倍，高度等于底部直径。将以上圆锥型浇冒口的顶部直径进行统计分析，获得最大直径尺寸为15mm。在基于以形补形的原则，选用直径为15mm的圆柱，采用四边形为基本单元，将以上所有圆锥顶部连接，形成网格化的浇冒系统。采用有限元软件分析获取方型薄壁高温合金铸件与充型系统整体结构的重心，发现重心为方型薄壁高温合金铸件的对角线中点位置，将对角线中点位置选为主浇道入口。主浇道采用圆柱形结构，主浇道与网格化浇冒系统的圆柱连接，主浇道将金属液从熔炼坩埚引流到网格化浇冒系统。主浇道可以选用以下参数的圆柱形：直径为45mm。高度为200mm。

M202,充分考虑网格间的交互作用，在此基础上，进一步借助ProCAST有限元软件，对方型薄壁K447A高温合金铸件及其浇冒系统进行充型与凝固模拟，分析缺陷模拟结果，微调网格化浇冒系统的尺寸和连接方式优化网格的补缩和约束作用，反复迭代，直到模拟凸台位置和蒙皮位置缺陷均小于Ⅰ级。采用该方法设计的浇冒系统，经过压蜡、制壳和浇注成型后，发现该方形铸件内部质量满足设计需求，铸件尺寸精度为CT4级，出品率比常规浇冒系统设计方法提高40％，说明本发明也适用于方形高温合金铸件浇冒系统设计，进一步说明本发明在浇冒系统设计方面具有普适性。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种大型复杂薄壁高温合金铸件浇冒系统网格化设计方法，其特征在于，

获得热力学参数、界面换热系数以及线膨胀系数的结果，包括：计算高温合金的结晶温度间隔和动态粘度随温度变化曲线，得到所述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，换算得到铸件和模壳间不同温度下界面换热系数；测定所述高温合金随温度变化的线膨胀系数；

采用上述结果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；

所述方法包括：

建立网格化的浇冒系统：将铸件按照重心最低的摆放方式进行放置，所述铸件为大型复杂薄壁高温合金铸件；将所述铸件按照厚度划分为多个模块，对每个模块的内部进行单元格划分，并确保所述单元格尺寸小于该厚度补缩距离；在每个模块上布置多个圆锥型浇冒口，获取所有圆锥型浇冒口中顶部直径的最大值Φmax，在基于以形补形的原则下，选用直径为最大值Φmax的圆柱，以四边形为基本单元，通过所述圆柱将所有模块的所述圆锥型浇冒口的顶部连接，形成网格化的浇冒系统；

考虑到所述网格化的浇冒系统的网格间的交互作用，对所述铸件及所述网格化的浇冒系统进行充型与凝固模拟，获得所述铸件的缺陷模拟结果。

2.根据权利要求1所述的大型复杂薄壁高温合金铸件浇冒系统网格化设计方法，其特征在于，所述获取高温合金在不同厚度条件下的冷却曲线，包括：

将所述铸件根据壁厚区间设计为多个不同厚度并呈阶梯型分布的台阶结构，在模壳内浇筑形成不同厚度的台阶铸件；

在不同厚度的所述台阶铸件内部、台阶铸件与模壳交界面以及模壳表面布设热电偶，采集不同厚度的所述台阶铸件内部、台阶铸件与模壳交界面以及模壳表面的冷却曲线。

3.根据权利要求2所述的大型复杂薄壁高温合金铸件浇冒系统网格化设计方法，其特征在于，所述台阶的数量最少为2个。

4.根据权利要求1所述的大型复杂薄壁高温合金铸件浇冒系统网格化设计方法，其特征在于，所述圆锥型浇冒口的底部直径等于该模块对应的厚度，所述圆锥型浇冒口的顶部直径为底部1.2-1.5倍，所述圆锥型浇冒口的高度等于底部直径。

5.根据权利要求4所述的大型复杂薄壁高温合金铸件浇冒系统网格化设计方法，其特征在于，所述通过所述圆柱将所有所述圆锥型浇冒口的顶部连接，形成网格化的浇冒系统，包括以下连接方式：

将所有模块中位于拐角处圆锥型浇冒口与最近邻的两个圆锥型浇冒口通过所述圆柱连接；

将所有模块中位于侧棱处所述圆锥型浇冒口与最近邻三个所述圆锥型浇冒口通过所述圆柱连接，将所有模块中位于中间部位所述圆锥型浇冒口与最近邻的四个所述圆锥型浇冒口通过所述圆柱连接；

之后，如果该部位还存在缺陷，再将上述位于拐角处圆锥型浇冒口与次近邻的圆锥型浇冒口通过所述圆柱连接。

6.根据权利要求1所述的大型复杂薄壁高温合金铸件浇冒系统网格化设计方法，其特征在于，所述对所述铸件及所述网格化的浇冒系统进行充型与凝固模拟之后，还包括：

对获得所述缺陷模拟结果进行分析，调整所述网格化的浇冒系统的所有圆锥型浇冒口顶部尺寸、圆柱尺寸以及连接方式，优化所述网格化的浇冒系统的补缩和约束作用，反复进行模拟，直到模拟缺陷小于设计需求。

7.根据权利要求1所述的大型复杂薄壁高温合金铸件浇冒系统网格化设计方法，其特征在于，在建立网格化的浇冒系统之后，以及对所述铸件及所述网格化的浇冒系统进行充型与凝固模拟之前，还包括：

采用有限元软件分析获取所述铸件与充型系统整体结构的重心，在重心处安放主浇道入口，主浇道采用圆柱形结构，所述主浇道与所述网格化浇冒系统的所述圆柱连接，所述主浇道将金属液从熔炼坩埚引流到所述网格化浇冒系统。

8.根据权利要求1-7任一项所述的大型复杂薄壁高温合金铸件浇冒系统网格化设计方法，其特征在于，所述考虑到网格化的浇冒系统的网格间的交互作用，对所述铸件及所述网格化的浇冒系统进行充型与凝固模拟包括：借助ProCAST有限元软件，对铸件及网格化的浇冒系统进行充型与凝固模拟。

Images