淺談數(shù)值模擬技術(shù)在高溫合金熔模精密鑄造中的應(yīng)用進(jìn)展

史艷莉

西安交通大學(xué)城市學(xué)院，陜西 西安 710018

高溫合金熔模的鑄造主要用于航空和工業(yè)系統(tǒng)。在航空以及工業(yè)的發(fā)動(dòng)機(jī)制造中，需要眾多繁雜的配件，這些部件集成后重量輕，結(jié)構(gòu)高效。高溫合金熔模鑄造變得越來(lái)越復(fù)雜，規(guī)模越來(lái)越大，精度越來(lái)越高。投資鑄造一般包括制芯、壓蠟、制殼、脫蠟、鑄造、脫殼、打磨門、機(jī)加、檢驗(yàn)等工藝流程。在鑄造的流程中存在復(fù)雜性、不穩(wěn)定性等特點(diǎn)，而如果相關(guān)技術(shù)控制不準(zhǔn)確，就會(huì)出現(xiàn)構(gòu)造的粗拙、彎曲、裂縫等瑕疵，從而增加工程量，減緩工程的進(jìn)度。因此，在進(jìn)行高溫合金熔模鑄造的過(guò)程中，經(jīng)常需要進(jìn)行多次的實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，檢驗(yàn)生產(chǎn)的質(zhì)量等，具有生產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)、成本高等特點(diǎn)[1]。近年來(lái)，為了減少工藝改進(jìn)試驗(yàn)次數(shù)，降低生產(chǎn)的成本和周期，各種模擬技術(shù)和商業(yè)軟件應(yīng)運(yùn)而生，并且在高溫合金的熔模鑄造得到了檢驗(yàn)，開始進(jìn)一步投入生產(chǎn)。

1 多晶熔模精密鑄造數(shù)值模擬

當(dāng)前多晶熔模精密鑄造數(shù)值模擬技術(shù)可以對(duì)溫度場(chǎng)、流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)收縮、熱裂紋等缺陷進(jìn)行預(yù)測(cè)以及顯示出微小內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化過(guò)程。該方法已廣泛應(yīng)用于復(fù)雜高溫合金多晶精鑄工藝的評(píng)價(jià)和優(yōu)化。[2]

1.1 溫度場(chǎng)模擬與收縮缺陷預(yù)測(cè)

目前商業(yè)模擬軟件在溫度場(chǎng)的模擬和收縮預(yù)測(cè)等方面的開發(fā)相對(duì)成熟。American Metal Foundry公司應(yīng)用Procast軟件將產(chǎn)品的失效率從25%降至3%，并取得了很大的效益[3]。沈陽(yáng)黎明發(fā)動(dòng)機(jī)廠進(jìn)行了投資的Procast軟件模擬鑄造過(guò)程中的K4169大口徑薄壁復(fù)雜渦輪罩，預(yù)測(cè)收縮和收縮缺陷的分布，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，最后采用優(yōu)化和改進(jìn)的工藝。該方案取得了預(yù)期的效果顯著消除了缺陷。北京航空材料研究所還利用Procast軟件優(yōu)化了發(fā)動(dòng)機(jī)K403火箭發(fā)射罩的鑄造工藝，有效地消除了收縮和孔隙率[4]。此外，沈陽(yáng)黎明發(fā)動(dòng)機(jī)廠還利用該軟件為K4104重型燃?xì)廨啓C(jī)主機(jī)配備了復(fù)合空心。

1.2 應(yīng)力場(chǎng)模擬，熱裂紋和變形預(yù)測(cè)

在龐大的多晶熔模鑄件中，特別在具有“薄”特點(diǎn)的多晶融模鑄件中，對(duì)于鑄件裂開以及鑄件變形很難進(jìn)行人工的精準(zhǔn)控制[5]。所以應(yīng)力場(chǎng)模擬在多晶融模鑄件中對(duì)融模鑄件的開裂以及變形情況發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

1.3 微觀組織模擬與預(yù)測(cè)

鑄件通常是樹枝狀或柱狀晶體，并且在鑄件的使用過(guò)程中容易產(chǎn)生和發(fā)展疲勞裂紋，因此控制鑄件的晶粒尺寸和微觀結(jié)構(gòu)尤為重要。近年來(lái)，基于溫度場(chǎng)的仿真計(jì)算方法，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)K35鎳基高溫合金渦輪葉片鑄件的晶粒尺寸和二次枝晶間距進(jìn)行了模擬和驗(yàn)證[6]。王鵬飛采用CAFE方法模擬了K4202高溫合金在細(xì)晶粒鑄造過(guò)程中的顯微組織。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鑄造處于低過(guò)熱狀態(tài)，雖然現(xiàn)有模型和算法得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好，但僅限于實(shí)驗(yàn)室研究，僅適用于鑄件的局部區(qū)域，不能直接應(yīng)用于實(shí)際的鑄件生產(chǎn)[7]。

2 高溫合金定向凝固及單晶制備過(guò)程數(shù)值模擬

定向凝固或單晶超合金已廣泛用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片、導(dǎo)葉和重型燃?xì)鉁u輪葉片。由于定向凝固過(guò)程的復(fù)雜性和影響定向凝固過(guò)程的諸多因素，數(shù)值模擬技術(shù)已逐漸應(yīng)用于該領(lǐng)域。

2.1 定向凝固及邊界條件

目前，我國(guó)高溫合金材料參數(shù)的研究經(jīng)驗(yàn)以及過(guò)程比較單薄，特別是在缺乏高溫區(qū)域的情況之下，根據(jù)實(shí)際材料和工藝實(shí)驗(yàn)測(cè)量的熱物理參數(shù)和界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)很少，一些現(xiàn)有的數(shù)據(jù)是分散的，不能公開獲得[8]。早在1978年，美國(guó)亞利桑那大學(xué)就提供了一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，從界面和邊界條件參數(shù)兩個(gè)方面，通過(guò)正交試驗(yàn)和反演計(jì)算研究了邊界參數(shù)對(duì)定向凝固模擬中凝固溫度曲線的影響。

2.2 單晶高溫合金定向凝固數(shù)值模擬

20世紀(jì)80年代后，國(guó)內(nèi)外對(duì)于定向凝固數(shù)值模擬的技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，并且取得關(guān)鍵性的進(jìn)展。單晶高溫合金定向凝固數(shù)值模擬已經(jīng)從簡(jiǎn)單的溫度場(chǎng)模擬轉(zhuǎn)變成考慮拉拔速度和輻射散熱等因素的結(jié)構(gòu)模擬[9]。近年來(lái)，大量學(xué)者、高校在定向數(shù)值模擬方面做了大量的研究工作。鑒于此，北京航空材料研究院進(jìn)行了DD6單晶工作葉片和導(dǎo)葉的定向凝固溫度場(chǎng)、溫度梯度和凝固界面單晶高溫合金定向凝固數(shù)值模擬，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。CAFE方法應(yīng)用于沈陽(yáng)黎明發(fā)動(dòng)機(jī)廠在單晶導(dǎo)葉定向凝固過(guò)程中模擬晶粒的競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)機(jī)制和晶粒取向控制方法，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)異質(zhì)缺陷的位置[10]。

3 結(jié)語(yǔ)

目前數(shù)值模擬技術(shù)已廣泛應(yīng)用于高溫合金多晶熔模鑄造和單晶定向凝固技術(shù)的研究。溫度場(chǎng)模擬和收縮孔缺陷預(yù)測(cè)技術(shù)相對(duì)成熟，而鑄造應(yīng)力模擬和微觀結(jié)構(gòu)模擬尚未應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)。合金缺乏熱物理性質(zhì)和不準(zhǔn)確的邊界條件，高溫環(huán)境下的殼和核心材料仍然是制約數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)揮更大作用的主要因素。未來(lái)應(yīng)對(duì)系統(tǒng)和綜合性地測(cè)試典型高溫合金的高溫物理參數(shù)，建立和完善物理參數(shù)和邊界條件數(shù)據(jù)庫(kù)，為更好地應(yīng)用數(shù)值模擬提供依據(jù)。歸根結(jié)底模擬只是一個(gè)工具，其最終目標(biāo)是指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。企業(yè)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況制定模擬過(guò)程和模擬結(jié)果分析的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可以實(shí)現(xiàn)仿真過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)化和固化，積累仿真應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，使仿真技術(shù)真正實(shí)用。