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1、第 40 页 共 34 页 毕业设计（论文）题目 真空吸铸TiAl基合金亚快速凝固行为的研究学生姓名 学号 专业 材料成型及控制工程 班级 指导教师 评阅教师 完成日期 年月日 目 录摘要1第一章 绪论31.1课题的目的及意义31.2 TiAl基合金的研究现状31.2.1 TiAl基合金的研究进展31.2.2 TiAl基合金的组织特点41.2.3 TiAl基合金的应用51.3 TiAl基合金的成型技术51.3.1粉末冶金51.3.2铸造冶金51.3.3锻造成型61.3.4真空吸铸71.4精密铸造小型薄壁TiAl合金件的应用前景71.5铸造过程中的数值模拟81.6主要研究内容8第二章 研究方法及
2、参数设置92.1真空吸铸过程分析92.2实验材料及模拟参数选取92.2.1实验材料选取92.2.2模拟参数选取102.3研究方案11第三章真空吸铸TiAl基合金熔体充型规律123.1数值模拟流程123.1.1造型133.1.2网格划分143.2 物性参数计算143.2工艺参数对充型影响的数值模拟2032.1浇铸温度对充型的影响203.2.2铸型温度对充型的影响233.2.3浇铸速度对充型的影响253.3数值模拟确定的充型影响从而控制优化工艺参数273.4模拟后的薄板组织28致谢32参考文献33真空吸铸TiAl基合金亚快速凝固行为研究【摘要】：TiAl合金具有的优点有密度低、弹性模量高、高温强度
3、高、抗蠕变性能高好、高温抗氧化性能强，是飞机发动机和火箭动力系统所用的新一代高温结构材料中的候选材料之一。但由于其缺点有室温脆性较大，延展性差，可行性加工困难等，从而限制了TiAl 合金的应用。随着时代的发展，计算机技术逐步应用于铸造领域，铸造成型数值模拟技术可以预测工作人员在铸造成型时铸件可能产生的缺陷、缺陷产生的时间、缺陷的大小及缺陷的部位，从而优化铸造成型工艺，确保铸件质量，进而降低生产成本。本课题主要使用ProCAST软件对TiAl合金进行铸造模拟，并对模拟后的数据进行分析，从而来优化工艺参数。对不同的浇铸温度，浇铸速度和铸型温度进行模拟，并对模拟后的凝固分数，应力，缩松、缩孔进行分析
4、。对浇铸温度分别为1550、1575、1600、1625进行模拟，结果发现浇铸温度1550时，铸件缩松、缩孔缺陷最小；对铸型温度分别为600、400、200和0进行模拟分析，最后发现铸型温度为200时总体性能最好；对浇铸速度分别为2.4m/s、1.6m/s和0.8m/s进行模拟分析，最后发现0.8m/s时缩松、缩孔缺陷最小。最后结论是当浇铸温度为1550、铸型温度为200、浇铸速度为0.8m/s时浇铸最好。关键词：TiAl合金；铸造成型；ProCAST模拟；数据分析【Abstract】：The advantage of gamma TiAl-based alloys inlow density
5、, specific modulus, specific high temperature strength, creep resistance and oxidation resistance makes them becameone of a new generation of high temperature structural materialsusedinaircraft engine androcket propulsion. But the reason of thedisadvantages ofroom temperaturebrittleness,poor ductili
6、ty,feasibility of processing difficulties,which limits the application ofTiAl alloy. With the development of the society,computer technology has been graduallyapplied to thefield of casting, Formingnumerical simulation can simulationstaffin the casting process of the casting defects,the possible tim
7、e,and predicte the defects in the parts of the casting,so as to optimize thecasting process,ensure the casting quality,reduce the cost of production. This task mainlyuse the ProCASTsoftwareto simulation TiAl alloycasting process,and analysis of the simulationdata,thus to optimize theprocess paramete
8、rs. The different of castingtemperature, casting speed and mold temperature were simulated, and after simulation, analysis the stress of solidification,shrinkage and shrinkage. 1550, 1575, 1600 and 1625 of the casting temperature is simulated respectively, The results showed that when the casting te
9、mperature was 1550, the shrinkage porosity and shrinkage porosity of the casting were minimum.;The mold temperature was 600, 400, 200 and 0are simulated and analyzed, The best overall performance finally found is mold temperature at 200; The casting speed of 0.8m/s, 1.6m/s and 2.4m/s were simulated
10、and analyzed, Finally found the shrinkage and shrinkage defects of the minimum is casting speed of 0.8m/s. The final conclusion is that when the mold temperature is 200, the casting temperature is 1550 and the casting speed is 0.8m/s, the casting is best.Keywords: TiAl alloy ；casting molding ；ProCAS
11、T simulation ；analysis第一章 绪论1.1课题的目的及意义-TiAl合金具优点有密度低、弹性模量高、高温强度高、抗蠕变性能、高温抗氧化性能，是飞机发动机和火箭推进系统所用的新一代高温结构材料中的候选材料之一1-3。但由于其缺点有室温脆性较大，延展性差，可行性加工困难，从而限制了TiAl 合金的应用。随着航天航空事业和造船业的迅猛的发展，对于发动机的要求愈来愈高，而尤其是发动机的推重比跟不上是阻碍这些行业发展的最核心的问题，想提高发动机的性能，最主要是提高叶片的性能，而TiAl合金的密度低等这些优点，使得其成为发动机叶片的首选材料之一，但是由于TiAl基合金的室温塑性差，加工
12、成型能力不足，使得TiAl基合金的发展受到阻碍，所以TiAl基合金材料的制备是一个非常的核心问题。因为TiAl基合金熔体自身粘度大、流动性差、且在高温条件下轻易和其他物质发生化学反应的这些缺点，使得TiAl基合金成型尤其艰难，于是很多研究工作者尝试不同的成型方法，目前运用到TiAl基合金成型的方法有很多。如粉末冶金、离心铸造、熔模铸造、机械和进化等等成型方法。然而由于TiAl基合金自身熔体流动性差、高温易于其他物质产生化学反应、粘度大等特征，使得TiAl基合金熔体本身铸造性能差，铸造出来的组织往往组织粗大、偏析严重，所以要想获得良好的铸件，尤其是薄壁铸件更为艰难。在对TiAl 基排气阀离心铸造
13、技术的研究中，K. Liu4提出，TiAl基合金的合金液的温度越高，则浇铸时金属液过热度越高，则充填率越好，当合金的过热度达到 180，铸件充型尤为良好。德国学者A. Choudhury 和及M. Blum 研究发现5，铸型加热到 1000才可以防止铸件中缩孔缺陷的发生。而当前对于TiAl基合金在航空航天等领域的使用，尤其在发动机领域的使用更注重于薄壁铸件，而对于TiAl基合金的薄壁铸件铸造又由为困难，所以本课题采用另一种成型方法即真空吸住的亚快速凝固行为的研究，想突破传统的铸造成型困难的问题，从而获得良好的TiAl基合金的薄壁铸件。而本课题采用真空吸铸的方法，可以很好的弥补其他成型的缺陷1.
14、2 TiAl基合金的研究现状1.2.1 TiAl基合金的研究进展由于TiAl合金具有的优点有：合金密度低、弹性模量高、高温强度高、高温抗氧化性能高等许多突出的优点，使得TiAl基合金受到国内外广大学者的关注，并把TiAl基合金作为下一代新型轻质高温结构材料。早在上世纪80年代以来，TiAl基合金就引起了国内外广大科研工作者的注意。早在1950年，就有美国科学家对TiAl基合金的性能进行了研究，结果发现TiAl基合金的温室塑性太差，而放弃研究。15年后，美国学家M.Blackburn 教授对TiAl进行了深层次的研究，最后发现Ti-48Al-1V-0.3C拥有最佳性能，即第一代TiAl基合金。直
15、至80年代末，美国科学家又开发了二代TiAl合金，并经过多次试验，证明了二代TiAl合金具有优良的综合性能。接着后来，TiAl基合金不断的被人类研究开发，其强大的优良性能也不断的展现出来，引起了很多学者的不断研究的兴趣，也促进了航空航天也、造船业、医疗器具制造业的发展，逐步出现三代、四代TiAl基合金。国内在TiAl合金的研究起步比较晚，没有欧美起步早。中国科学院金属腐蚀与防护研究所唐兆麟等6.7 在1997年通过实验研究发现，在一定条件下通过添加Cr元素TiAl将会具有特别好的防氧化效果，到2000年西北有色金属研究所发现Al元素的波动对其高温氧化行为具有影响。到2007年，北京科技大学张宁
16、等通过实验发现适当添加Y元素可以提高高铌TiAl合金的高温长期抗氧化性，还可以起到细晶强化的作用，使外层晶粒细小从而形成致密的氧化膜，阻止进一步氧化。1.2.2 TiAl基合金的组织特点-TiAl合金具优点有密度低、弹性模量高、高温强度高、高温抗氧化性能、抗蠕变性能，TiAl 基金属间化合物较 Ti3Al 及 Ti 合金有显著的优越高温性能8，TiAl基合金的合金成分、晶粒大小、加工方法决定其室温拉伸性能。一般来说，经过热处理TiAl基合金可以获得四种组织：全片层组织、近片层组织、双态组织、近组织。全片层组织一般组织比较粗大，室温延展性和强度较低，降低组织尺寸可以改善。近片层组织(NL)，在刚
17、低于T温度不远的/2两相区进行热处理，经炉冷或空冷就可以得到/2片层团和小量分布于层片团间的等轴晶粒组成的近全片层组织。双态组织(DP)，在两相体积分数大约相称的温度，约T-60，+ 两相区进行热处理，经炉冷或空冷可以获得/2片层团，最终获得等轴晶粒和/2层片团组织。近组织(NG)，在刚高于共析温度的+两相区进行热处理，得到基本都是由等轴晶粒所组成的组织，通常含有少量的细小相颗粒在晶界9。由于TiAl室温塑性低一直是阻碍其发展的主要因素，为了使TiAl得到良好的应用，必须解决其室温塑性低的问题，然而可以通过改变TiAl的组织进而来改变TiAl的温室塑性，经过科研人员的大量实验表明，控制TiAl
18、的微观组织可以提高TiAl的温室塑性，目前改善微观组织的方法主要有五种：（1）完善制备工艺，设计合理的制造工艺。（2）合金化及微合金化。（3）降低环境脆性。(4)在基体中参加塑性纤维或加入塑性粒子。（5）改进微观组织可以采用双相显微组织，而双态组织拥有良好的室温塑性，但断裂韧性和抗蠕变性能较差；还可以通过细化晶粒尺寸减小滑移带长度，进而减小滑移面的位错长度和位错堆积，但会造成滑移面交截处和晶界的应力集中，容易形成裂纹；还可以通过控制晶界杂质析出和控制板条间距，由于晶界杂质第二象可以阻碍位错的发生，而析出杂质第二象则会导致晶界脆性，所以需要控制其析出的量。1.2.3 TiAl基合金的应用随着人们
19、对TiAl合金的不断研发与探究，TiAl合金的潜在价值逐渐被人们所关注，应用范围也不断的被拓宽，研发的科研人员目光更注重TiAl的实际应用，TiAl基合金密度低，作为减重材料，来代替镍基合金，更优于镍基合金。而航空和发动机部件迫切需求减重材料，于是TiAl基合金腾空出世， 广泛被采用。由于TiAl合金的密度比较小，可以用与空行航天这些急需减重的高科技行业，还可以用来制造汽车的发动机，制作一些发动机的部件，例如，用来制造汽车的排气阀，从而使得汽车的排气阀质量减轻，进而减少噪音，改进发动机性能。另外，又由于TiAl基合金的比模量高，可以制作隔板、涡轮叶等一下需要高强度的结构件上。TiAl还有优点如
20、：该合金在600750之间具有良好的抗蠕变性能，部分可以用来取代镍基合金。1.3 TiAl基合金的成型技术目前TiAl的成型方法主要有锻造、粉末冶金和铸造的方法，下面分别来谈谈其成型方法的优缺点1.3.1粉末冶金TiAl基合金塑性差，加工极为困难，利用粉末冶金可以得到成型的TiAl基合金零件，得到的组织也比铸锭冶金的组织细小、均匀。当我们选用粉末冶金技术时，首先得制备出纯度、粒度符合要求的TiAl合金粉末，并且再经过模压、挤压、烧结等技术处理手段才能是TiAl合金成行，而在粉末冶金成行方法得到的成品致密程度是限制粉末冶金使用的主要因素，致密度往往与TiAl合金的成分、颗粒大小、烧结时间、烧结温
21、度及加热速度有关。原颗粒越小，则致密度越高，加热速度越快则不利于提高成品致密度。在粉末冶金时间隙杂质以及致密度问题制约了该方法的应用，但通过纯化粉末的方法使得该方法得到改善和提高。粉末冶金易于制造形状比较复杂的零件而且可以节省大量的原材料，降低成本。其缺点是在烧结的时候容易造成体积膨胀，导致成品致密度不高，合金组织均匀性差。但近年来开发了几种具有良好发展前景的TiAl合金粉末净形加工技术，还有J. Moll认为，粉末冶金技术可以减小偏析和加工周期。所以粉末冶金总体来说还是处于蓬勃的良好的发展势头。1.3.2铸造冶金 目前应用于TiAl基合金的铸造成型方法主要有熔模铸造、离心铸造、反重力低压铸造
22、。熔模铸造成本比较低，并且熔模铸造可以得到尺寸精确、表面光滑的铸件，最主要的特征是可以得到尺寸精度高、表面粗糙度小的铸件，熔模铸造还可以铸造形状复杂的铸件，熔模铸造还不受材料的限制，对于难以锻造和难以加工的合金材料来说，熔模铸造是一个非常好的选择，而且铸造精度高，可以进行精铸。但由于TiAl在高温下具有很高的活性，可以与耐热的材料反应，这样就使得在熔模铸造时铸件表面容易产生污染层，如此影响铸件的外观质量，也影响铸件的内在性能。随着工业的不断发展，铸造技术受到广泛资本家的欢迎，如果能够直接铸造出来精密的工件，则不需要二次加工，这样将会省很多成本。于是离心铸造技术在这样的潮流的推动下得到了广泛的应
23、用。由于离心铸造时铸型的旋转速度很快，充型时金属液在强大的离心力的作用下而充满型腔，并凝固，使得合金液的充型能力更强，铸造出来的铸件更加致密。离心铸造与重力铸造相比，铸件更致密、充型能力更强。由于离心力的作用，离心铸造还可以对缩松缩孔、充型不足、气孔、夹杂等缺陷进行改善。但是也由于离心力的作用使得气体、熔渣等杂物集聚在铸件表面，使得铸件质量较差，需要进行再加工，也使得铸件容易偏析。1.3.3锻造成型对TiAl基合金进行锻造时，锻造负荷比较大，锻造温度很窄，微观组织不均匀，局部容易过热，锻件表面容易产生裂纹。所以常常锻造出来的零件可塑性比较差，难以锻出比较复杂的零件，材料利用率比较低。TiAl基
24、合金变形抗力受变形速度和变形温度的影响较大，所以锻造TiAl基合金适用于等温锻造，即将锻坯与磨具加热到等温时进行锻造。这样就能在变形温度较慢时进行锻造成型。如图1-1等温锻造下的压气机叶片。图1-1 等温锻造压气机叶片1.3.4真空吸铸 金属型底注式真空吸铸是一种铸造 TiAl 基合金材料新工艺技术如图1-2，可以很好地弥补TiAl其他铸造成型方法中的缺陷，其优点有以下几点：（1）由于合金液体在上下压差下凝固，可以减小缩松缩孔等缺陷。（2）由于TiAl基合金的金属液流动性差，在熔模铸造中需要很高的过热度才能充型好，而在真空吸铸中不需要太高的过热度就可以很好地充型。（3）TiAl基合金高温时活性
25、强，很容易被氧化，而真空吸铸是在真空条件下进行，防止合金液在凝固过程中被氧化。（4）金属液在浇铸时，由于金属液与型腔接触，使得流动速度减慢，凝固速度变快，使得充型能力下降，容易造成浇不足、流痕等缺陷，但真空吸铸是在重力和上下压差的作用下，使得充型能力得到提高，保证充型完整。图1-2真空吸铸示意图1.4精密铸造小型薄壁TiAl合金件的应用前景早在很多年前世界上那些发达国家就对TiAl基合金在航空航天行业进行了深入研究，尤其作为世界超级大国的美国，对TiAl合金的研究更早。由于TiAl基合金的弹性模量高，密度低，高温强度高，高温抗氧化性能高，高温抗蠕变性能好等优良性能，使得TiAl基合金大量使用在
26、航空航天和发动机制造等行业，成为飞机发动机和火箭推进系统所用的新一代高温结构材料中的候选材料之一，深受从事高温结构材料研发的工作人员的青睐，但由于TiAl基合金的室温脆性低，使得TiAl基合金的薄壁铸件的铸造更为艰难，因此，精密铸造TiAl基合金的应用前景之广阔。1.5铸造过程中的数值模拟随着时代的发展，计算机技术逐步应用于铸造领域，铸造成型数值模拟技术在优化熔模工艺和研究金属熔模理论起着越来越重要的作用。铸造成型数值模拟技术可以预测实际过程中工作人员在铸造成型时铸件可能产生的缺陷、产生的时间、缺陷的大小及缺陷的部位，从而进行优化铸造成型工艺，确保铸件质量，降低生产成本，缩短试制周期。主要有应
27、力场数值模拟、充型数值模拟、缩松缩孔数值模拟。1.6主要研究内容真空吸铸是铸造TiAl基合金的一种新工艺技术，其主要优点有以下几个方面：（1）由于TiAl基合金的活性比较大，在空气中容易氧化，而真空吸铸在真空下进行铸造，避免了金属液在凝固过程中的氧化。（2）在真空条件下铸造，型腔与外界存在压力差，而在压力差的条件下铸造成型，可以减少缩松、缩孔缺陷的形成。（3）由于TiAl基合金液体的流动性比较差，在熔模铸造时需要给液体很高的温度才能保证充型完整，而在真空吸铸时，不需要太高的温度就可以充型完整。本课题主要是利用procast软件对小薄壁型TiAl基合金铸件进行铸造成型数值模拟，观察模拟整个过程中
28、的充型过程和温度变化，以及调整工艺参数从而减少模拟过程中缩松、缩孔等缺陷的产生，从而优化工艺。第二章 研究方法及参数设置2.1真空吸铸过程分析真空吸铸充型过程是在金属液自身重力和铸型上下压差作用下进行充型的，使得充型动力增加，而TiAl合金金属液活性大，流动性差，冷却速度快，而真空吸铸可以增加充型动力，于是该工艺可以浇铸小型薄壁件TiAl合金件。因为型腔处于真空条件下，里面无空气，所以金属液在浇铸时受到的热气体反作用力降低，大大减少了充型阻力，大大减小了薄壁件因充型冷却速度太快而造成充型能力减小进而导致浇不足等缺陷。由于金属液活性较大，而型腔真空度比较高，避免了金属液的氧化。还有在真空条件下，
29、有利于充型过程中的气体排出，在上下压差下，减小了在凝固过程中缩松、缩孔缺陷的产生。在充型过程中，为了避免铸件产生缩松、缩孔、夹杂、浇不足等缺陷，我们必须对浇铸工艺进行优化。当金属液温度过低时，薄壁件凝固速度过快，容易产生浇不足等缺陷；当金属液过高时，在浇铸过程中金属液不断的冲刷型腔，容易冲坏型腔，产生夹杂；当以过小的浇铸速度进行浇铸时，虽然金属液能保持平稳状态进入型腔，但由于金属液冷却速度快，也容易产生浇不足；当浇铸速度过快时，浇铸时金属液射流宽度较小，容易冲破型腔液面，扰动液面，容易产生气泡和夹杂等缺陷，另外射流宽度小、速度大容易产生紊流，在型腔底部形成涡流。在浇铸过程中铸型温度也比较关键，
30、当铸型温度较高时，铸型保温效果好，但浇铸时金属液容易冲砂；当铸型温度太低时，金属液凝固速度太快，容易产生缩松、缩孔。综上所述，所以浇铸过程中要选择一定的浇铸温度、浇铸速度和铸型温度。2.2实验材料及模拟参数选取2.2.1实验材料选取本课题研究的是真空吸铸对TiAl基合金的亚快速凝固行为，所以铸件主要材料为TiAl合金，TiA合金的优点是具有非常好的弹性模量，高温强度和氧化性能，使得它在未来的涡轮发动机制作中成为一个具有很大吸引力的材料10。铸造和金由于其生产成本低，已被用来生产汽车的涡轮增压器11和活塞12 。航空发动机的应用需要仔细评估和改善伽玛铝化物许多方面的特性，包括疲劳，韧性和蠕变13
31、。为了满足设计要求，合金化是一个用来优化不同性能的基本手段。Nb或许是伽玛铝化物最重要的合金元素，众所周知，Nb可以用来提高伽玛合金的强度和抗氧化性能，更是高达12%的Nb已被用来作为合金添加剂14。目前尚不清楚，Nb含量达到多少时可使疲劳趋近于开裂。与大多数合金均匀稳定的微观结构一样，可以用来为发动机部件服务。但是对于铸件，可用于修改组织的手段是非常有限的。所以在TiAl合金为主要材料的情况下，我还加入少量的Nb进行模拟，于是这次选择的材料为Ti45.5%Al8%Nb进行模拟。2.2.2模拟参数选取本次模拟思路如下：（1）铸件尺寸为20mm60mm2mm的薄板件，铸型为高度为80mm直径为2
32、4mm的圆柱体，冒口为圆锥形。（2）铸件材料为Ti45.5%Al8%Nb，铸型材料为冷铁H-13。（3）由于Ti45.5%Al8%Nb材料的液相线和固相线分别为1503和1444。凝固分数线如图2-1。所以初步选取模拟温度为1600，浇铸速度为2.4m/s(对应是3秒浇铸完)，换热系数h=1000（金属型砂型换热系数一般为1000-2000），铸型温度为600。首先控制浇铸速度、换热系数和铸型温度不变，单量变换浇铸温度，选取较好的浇铸温度，然后再控制浇铸温度不变，变换其他一个参数，选取最好个参数，依次进行控制单一变量进行模拟，注重目的选取一个最好的模拟参数。图2-1.凝固分数线与温度关系图2.
33、3研究方案本课题主要利用procast来进行TiAl基合金真空吸铸的充型模拟和凝固过程的模拟来指导实践，由于设备有限，只进行模拟，不进行试验。模拟参数主要选取的有浇铸温度、浇铸速度、铸型温度和换热系数。对模拟后的处理，主要通过模拟全过程中的动画来考察铸造过程中的凝固分数、温度场及缩松、缩孔的位置和大小。利用凝固分数及凝固时间来考察TiAl基合金在真空吸铸过程中的凝固特性。本课题中的最终凝固温度为600，因为600时TiAl早以完全凝固，设置凝固最终温度为600时可以缩短模拟时间，而凝固时间是指合金溶液从浇铸温度冷却到600时所用的时间，凝固分数是指在凝固过程中合金溶液中固相的分数。缩松、缩孔的
34、位置及大小是来分析铸造过程中的工艺参数对缩松、缩孔的影响。第三章真空吸铸TiAl基合金熔体充型规律图3-1procast模拟流程图3.1数值模拟流程Procast软件模拟的流程如图3-1， 首先建立三维模型，然后进行面网格划分、体网格划分，再进行参数设置，最后进行可视化处理，进行结果分析。本课题模拟具体步骤如下：(1) 首先用pro/e建立三维模型，铸型如图3-2、铸件如图3-3。然后将建立的铸型跟铸件装配起来，装配图如图3-4。另存为igs格式(2) 将装配图的igs格式导入meshcast中进行面网格和体网格的划分。(3) 进行初始条件设置，先对铸型和铸件进行材料设置，然后进行边界条件设置
35、（包括浇铸速度、浇铸温度、换热系数及铸型温度），设置好后进入ProCAST进行模拟。(4) 模拟完成后进入可视化结果分析。a)b)图3-2.铸型图 图3-3铸件图图3-4. a)为装配后的框架图，b)为装配后的实物图3.1.1造型本课题中的三维造型是用pro/e进行三维造型的，铸件的是20mm60mm2mm的薄板件，铸型为高度为80mm直径为24mm的圆柱体，其中内部去除了跟铸件一模一样尺寸的长方体，正好跟铸件组装，冒口为圆锥形。3.1.2网格划分网格划分是决定procast能否正常模拟的比较关键的一步，也是比较困难的一步，如果网格划分不好后面将无法进行。面网格划分时特别注意是否重合面，对有重
36、合面的一定要注意进行处理，否则后面进行体网格划分时就会出现比较多的交叉网格。另外网格步长也是比较关键的，它决定模拟的精度。网格越细小，网格数越多，模拟精度越高，但模拟时间就越长；网格步长越大，网格数越少，模拟精度越小，模拟时间越短。所以在满足模拟精度的情况下，尽可能的使用粗大网格，将网格步长设大一点，这样就可以缩短模拟时间。3.2 物性参数计算ProCAST数值模拟的直接依据是材料的物性参数，材料的物性参数直接决定着模拟结果的可靠性和准确性。材料的热物性参数直接决定着温度场模拟的准确性，只有材料飞热物性参数非常精确，模拟出来的温度场才与实际才更加相近。图2-1为合金固相分数线与温度的关系，从图
37、中可以清楚的看出，当温度为1444时，凝固分数为1，也可以看出Ti45.5%Al8%Nb材料的固相线为1444。当温度为1503时，从图中可以看出凝固分数为0，也可以看出Ti45.5%Al8%Nb的液相线温度为1503。图3-5.Ti45.5%Al合金固相分数与温度之间的关系Nb或许是伽玛铝化物最重要的合金元素，众所周知，Nb可以用来提高伽玛合金的强度和抗氧化性能，目前尚不清楚，Nb含量达到多少时可使疲劳趋近于开裂。与大多数合金均匀稳定的微观结构一样，可以用来为发动机部件服务。但是对于铸件，可用于修改组织的手段是非常有限的。所以在TiAl合金为主要材料的情况下，我还加入少量的Nb进行模拟。下面
38、来比较一下Ti45.5%Al8%Nb与不加Nb的Ti45.5%Al合金的性能进行比较由图2-1为Ti45.5%Al8%Nb合金的凝固分数与温度之间的关系与图3-5为Ti45.5%Al合金的凝固分数与温度之间的关系可以看出，Ti45.5%Al8%Nb合金的液相线温度比Ti45.5%Al合金的液相线温度低，在浇铸Ti45.5%Al8%Nb合金时所需的最低浇铸温度比Ti45.5%Al合金的所需的最低浇铸温度要低，从能源的角度来看，节省能源。如果在相同温度情况下进行浇铸时Ti45.5%Al8%Nb合金的过冷度大，金属液流动性好，有利于充型。图3-6.Ti45.5%Al8%Nb合金的焓值与温度之间的关系
39、由图3-6 Ti45.5%Al8%Nb合金的焓值与温度之间的关系与图3-7为Ti45.5%Al合金的焓值与温度之间的关系进行比较可以看出，在相同温度下，Ti45.5%Al合金的焓值明显要比Ti45.5%Al8%Nb合金的焓值高，并且Ti45.5%Al合金的焓值随温度的增长率也比Ti45.5%Al8%Nb合金大，而焓值在热力学中表示物质系统能量的状态参数，焓值越高，物质系统能量越大，越不稳定。从此处可以看出Ti45.5%Al8%Nb合金比不加Nb的Ti45.5%Al合金要稳定。图3-7.Ti45.5%Al合金的焓值与温度之间的关系由图3-8为Ti45.5%Al8%Nb合金的密度与温度之间的关系与
40、图3-9为Ti45.5%Al合金的密度与温度之间的关系可以看出，Ti45.5%Al8%Nb合金的密度比Ti45.5%Al合金的密度大，造成这中情况产生的原因是加了Nb而产生的。图3-8.Ti45.5%Al8%Nb合金的密度与温度之间的关系图3-9.Ti45.5%Al合金的密度与温度之间的关系由图3-10为Ti45.5%Al8%Nb合金的导热系数与温度之间的关系与图3-11为Ti45.5%Al合金的导热系数与温度之间的关系可以看出，在温度大于1400时Ti45.5%Al合金的导热系数明显要比Ti45.5%Al8%Nb合金的导热系数大，导热系数越大，则保温效果越差。图3-10.Ti45.5%Al8
41、%Nb合金的导热系数与温度之间的关系由图3-12为Ti45.5%Al8%Nb合金的粘度与温度之间的关系与图3-13为Ti45.5%Al合金的粘度与密度之间的关系可以看出，Ti45.5%Al8%Nb合金的粘度比Ti45.5%Al合金的粘度大，然而合金液粘度越大，则充型越困难。图3-11.Ti45.5%Al合金的导热系数与温度之间的关系图3-12.Ti45.5%Al8%Nb合金的粘度与温度之间的关系图3-13 .Ti45.5%Al合金的粘度与密度之间的关系 总体来说，加Nb的TiAl基合金整体性能比不加Nb的TiAl基合金性能要好。3.2工艺参数对充型影响的数值模拟32.1浇铸温度对充型的影响浇铸
42、温度对铸造成型的影响非常大，浇铸温度越高，合金流动性越好，便于充型。为了探究浇铸温度对铸造成型的全过程的影响，选取的浇铸速度为2.4m/s，换热系数为1000w/m2k，铸型温度初步选取600。浇铸温度选取1550、1575、1600、1625进行数值模拟。以下对模拟后的可视化结果进行分析。首先对凝固分数进行分析，模拟后的凝固分数如图3-14由上面图3-14中浇注温度分别为1550、1575、1600、1625凝固分数图可知，浇铸温度越低时，浇口部位后期由于凝固原因，浇口通道越来越窄，则不利于浇口部位合金液向薄板补缩，薄板在后期凝固过程中容易产生缩松、缩孔。当浇铸温度较高时，很明显，浇口部位计
43、较宽，薄板在后期凝固时能够得到浇口部位合金液的补缩。但由于浇铸温度高，凝固速度缓慢，从图3-14中浇铸温度为1625时，很明显可以看出，薄板中下部凝固分数比较小，液相所占比例较大，但浇口部位凝固分数比较高，在后期d)c)b)a) 图3-14.为模拟后的凝固分数图，浇铸温度为a) 1550、b) 1575、c) 1600、d) 1625凝固过程中，浇口部位肯定比下面部位首先凝固，依然会造成浇口先凝固，薄板后期凝固中得不到金属液的补缩，也容易造成缩松、缩孔。从此可以看出，并不是浇铸温度越高越好，应选择更好浇铸温度。a)b)c)d) 图3-15.为应力图，浇铸温度为a) 1550、b) 1575、c
44、) 1600、d) 1625由上面图3-15中1550、1575、1600、1625应力图可知，浇铸温度为1550时，主要应力集中在薄板正中部，1575应力集中在薄板中上部，1600应力主要集中在薄板中下部，1625应力基本分布在薄板的全部位置，从此处应力图可以跟凝固分数图联合起来看，彼此是相互联系的。当浇铸温度为1550和1575时，薄板只有中部凝固分数比较小，其余基本完全凝固，并且面积也不是很大，而浇铸温度为1600和1625很明显薄板中部凝固分数比较小的面积明显较前两种大，尤其是浇铸温度为1625时，中部还有一大片凝固分数非常小的区域，很明显在后期凝固过程中，交口处合金液得不到补缩，四周
45、凝固收缩，就会造成应力就非常大，由图也可以明显的反映出来，在下方有黄色区域，由对比卡可知，此处应力更大。d)b)a)c) 图3-16.为缩松缩孔图，浇铸温度为a) 1550、b) 1575、c) 1600、d) 1625 由上面图3-16中1550、1575、1600、1625缩松、缩孔图可知：当浇注温度为1550时缩松、缩孔面积最小，缩松、缩孔位置处于板件的中部；当浇注温度为1575时，缩松、缩孔在薄板中部比较多，薄板底部存在少数；浇铸温度为1600时，缩松、缩孔位置主要集中在中下部；当浇铸温度为1625时，缩松、缩孔面积最大，主要集中在中下部，并且中部还有少量缩松、缩孔。从缩松、缩孔出现的
46、位置可以与上面的凝固分数图联系起来，缩松、缩孔主要出现在凝固分数比较低的部位，由于后期凝固而又得不到合金液的补缩，就造成了缩松、缩孔。最后由图3-14、图3-15和图3-16综合分析，浇铸温度为1550时，比较好。3.2.2铸型温度对充型的影响本次选取的工艺参数为浇铸温度为1550，浇铸速度为2.4m/s，换热系数为1000 w/m2k，铸型温度分别为600、400、200和0进行对比分析，从中选取一个比较好的铸型温度。模拟后的凝固分数如图3-17d)c)b)a) 图3-17.为凝固分数图，铸型温度为a) 600、b) 400、c) 200、d) 0由上面图3-17中铸型温度分别为600、400、200和0图可知，铸型温度越低时，冷却速度越快，薄板底部和边缘部位基本同时凝固，而凝固分数比较小的部位主要集中在浇口部位，这样在后期凝固时就可以得到浇口部位合金液的补缩。对应的缩松、缩孔面积理论上应该减小。但是由于铸型温度越低，冷却速度越快，如果浇口部位先出现凝固的话，则主要缩松、缩孔部位将出现在薄板中上部。理想中的冷却趋势是从底部逐渐凝固，浇口部位最后凝固，如果这样的话，合金液在凝固过程中就能得到