温度场模拟及缩孔缩松预测算法研究与实现

对铸造凝固过程温度场模拟及缩孔、缩松缺陷预测算法进行了研究,并应用于SIMU-CAST铸造凝固过程模拟软件研发。软件能基于有限单元法进行凝固过程温度场、缩孔、缩松等铸造缺陷的数值模拟。模拟过程充分考虑材料和边界条件等参数的非线性特征,并考虑结晶潜热的处理。同时对铸件缩孔、缩松预测结果和ProCAST软件计算结果进行对比,验证了所开发软件的准确性。     

基于三维CAFE法计算真空自耗电弧熔炼钛合金铸锭的凝固组织（英文）

建立三维多尺度数学模型计算Ti-6Al-4V合金铸锭真空自耗电弧熔炼(VAR)过程中的温度场、流场及凝固组织的形成。该模型包括宏观质量、动量及能量守恒方程和介观晶粒形核生长模型。在传热与流动计算的基础上,模拟铸锭VAR过程中的三维凝固组织的形成。对比计算结果与实验观察可知,两者在晶粒结构与晶粒生长方式方面吻合较好。当考虑VAR过程中熔池表面的辐射换热后,铸锭顶部的柱状晶被很好地呈现。最后,考察了自然对流对铸锭凝固组织的影响,计算结果表明自然对流对柱状晶-等轴晶转变(CET)及晶粒尺寸影响较大,表现为促进CET及细化晶粒。     

Numerical Simulation of Titanium Alloy Ingot Solidification Structure during VAR Process Based on Three-Dimensional CAFE Method

建立三维多尺度数学模型计算Ti-6Al-4V合金铸锭真空自耗电弧熔炼(VAR)过程中的温度场、流场及凝固组织的形成。该模型包括宏观质量、动量及能量守恒方程和介观晶粒形核生长模型。在传热与流动计算的基础上,模拟铸锭VAR过程中的三维凝固组织的形成。对比计算结果与实验观察可知,两者在晶粒结构与晶粒生长方式方面吻合较好。当考虑VAR过程中熔池表面的辐射换热后,铸锭顶部的柱状晶被很好地呈现。最后,考察了自然对流对铸锭凝固组织的影响,计算结果表明自然对流对柱状晶-等轴晶转变(CET)及晶粒尺寸影响较大,表现为促进CET及细化晶粒。     

电子束冷床熔炼TC4钛合金铸锭凝固过程有限元模拟

利用ProCAST有限元软件对电子束冷床熔炼TC4钛合金铸模凝固过程进行数值模拟,研究了不同浇注速度下温度场的分布规律、预测组织缺陷分布以及晶粒尺寸大小。结果表明,相同浇注温度下,随着浇注速度的增大,铸锭凝固过程中达到稳态所需的时间明显缩短,且无冷隔及浇不足等缺陷出现;缩孔缩松量逐渐增大,且主要分布于铸锭的侧表面及冒口位置;初生枝晶半径和二次枝晶臂间距逐渐增加,凝固组织变得粗大,细晶区域明显减小。在本试验条件下,浇注温度为1 760℃时,选择100 kg/h作为最佳浇注速度,在保证生产效率的同时,可以获得组织细小、冶金质量优良的钛合金铸锭。     

锌铝合金凝固缺陷数值分析

为了很好地了解锌铝合金凝固过程产生的缺陷,建立了普通金属型铸造实验条件下的大直径(114mm)锌铝合金的几何及物理模型.利用有限元方法对凝固过程的缩松情况进行了模拟和分析.与实际铸造条件下铸锭的内部缩松情况进行了对比,数值模拟结果的准确性得到了验证,为提高凝固锌铝合金材料的铸造质量提供了一定的依据.     

基于AnyCasting大型薄壁鞍座铸造工艺优化

针对大型薄壁铸件鞍座铸造过程中易产生缩松、缩孔缺陷等问题,基于AnyCasting模拟软件对鞍座的充型和凝固过程进行了模拟。根据模拟结果分析缩松、缩孔缺陷的位置分布,发现铸件内部有缩松、缩孔现象产生,并通过实际浇注试验对比缺陷位置以验证模拟结果的可信性。采用在热节位置添加内冷铁的改进方案,结果表明,原缺陷产生位置在凝固过程中优先凝固,消除了缩松、缩孔缺陷,为类似薄壁铸件实际生产提供相应指导。     

有限元法铸造凝固过程数值模拟关键技术研究

对铸造过程数值模拟关键技术进行了研究并进行SIMU-CAST铸造凝固过程模拟软件研发,软件能基于有限单元法进行凝固过程温度场、缩孔缩松等铸造缺陷的数值模拟。模拟过程充分考虑材料和边界条件等模拟参数的非线性特征,并考虑结晶潜热的处理。最后,对所开发软件计算的铸件凝固过程情况和国外Pro CAST商用铸造有限元分析软件计算结果及趋势进行对比,并结合实验结果进行分析。软件计算结果准确性及计算精度较高,铸件缩孔缩松预测结果基本准确,分析计算结果能满足工程实际应用,并在工厂实际浇铸生产应用中取得了良好效果。     

箱体端盖凝固过程数值模拟及工艺优化

利用Anycasting软件对箱体端盖凝固过程进行模拟,通过凝固温度分布预测了缩孔、缩松产生的位置.采用增大胃口体积的方法对原铸造工艺方案进行了优化,改进方案的模拟表明,能使铸件得到充分补缩,最终可以消除缩孔、缩松等缺陷,满足了实际生产的要求.     

AZ31B镁合金凝固组织对室温力学性能的影响

采用铸锭底部喷水、侧面加热炉保温的方法制备了AZ31B镁合金铸锭。通过改变熔体过热温度来调整凝固组织,研究了凝固组织中晶粒大小以及形态对合金室温力学性能的影响。结果表明,采用这种方法制备的AZ31B镁合金铸锭,底部是柱状晶,其余为等轴晶。铸锭组织致密,无缩孔、缩松缺陷。当熔体过热温度由720℃提高到900℃时,铸锭底部柱状晶的长度由35mm减小到15mm,柱状晶间距由0.7mm减小到0.2mm;在距铸锭底部130mm处,等轴晶枝晶由0.8mm减小到0.1mm。减小等轴晶枝晶尺寸,可以提高试样的室温抗拉强度和塑性。垂直于柱状晶轴向进行拉伸时,试样的抗拉强度和伸长率与等轴晶相比明显下降。减小柱状晶间距,可以提高镁合金的室温压缩性能;当柱状晶间距相同时,垂直于柱状晶轴向进行压缩比平行于柱状晶轴向进行压缩的性能好。     

刹车卡钳叠型铸造数值模拟分析及工艺优化

采用有限元分析软件Procast对某轿车刹车系统卡钳叠型铸造时充型和凝固过程进行了模拟和研究,预测了缩孔、缩松等铸造缺陷出现的位置.结果表明,这些模拟缺陷与实际缺陷位置基本一致.同时,根据模拟分析结果对铸造工艺进行优化,采用反向浇注、切断分支直浇道的优化工艺稳定了浇注系统中的铁液,改善了缸体部位的缩孔、缩松.提高了铸件的合格率.     

镁合金缸盖罩T型浇注系统优化设计与数值模拟

基于现有镁合金汽车发动机缸盖罩T型浇注系统结构分析,对其横浇道厚度和排溢系统结构尺寸进行优化。结合压铸数值模拟软件JScast对其进行压铸数值模拟试验,确定压铸充填与凝固过程温度场分布情况及其金属液的流动情况,对其进行缩松、缩孔和流痕等缺陷预测,并采取相应的措施以提高压铸充填效果和压铸件的质量。结果表明,优化后的铸件总体积较优化前减少2.5%,且充填效果良好,验证了压铸数值模拟技术的可靠性。     

Effect of process variables on grain growth in simulating solidification microstructure of Ti-45%Al alloy ingot by stochastic model

A comprehensive stochastic model for simulating microstructure formation of Ti-45% Al（mole fraction） alloy ingot during solidification process was developed, based on a finite differential method（FDM） for macroscopic heat flow calculation and a cellular automaton（CA） technique for microscopic modeling of nucleation and growth. The formation of a shrinkage cavity at the top of ingot was taken into account. The effects of process variables such as pouring temperature and mold-preheated temperature on the microstructure formation were investigated. The calculated results indicate that the columnar zone is expanded with increasing pouring temperature in the nonlinear way and the volume fraction of equiaxed zone only slightly varies with the mold-preheated temperature.     

Ti60合金VAR熔炼过程熔体流动与宏观偏析的数值模拟研究

真空自耗电弧熔炼 (Vacuum arc Remelting,VAR) 是生产钛合金铸锭最常用的方式之一,但由于其熔炼过程温度高且不透明,通过实验研究其熔炼过程中流体流动行为和宏观偏析存在困难。基于此,本工作以Ti60高温钛合金为例,通过数值模拟方法对VAR熔炼过程展开研究,同时探讨了熔炼电流和磁场搅拌强度对流体流动行为和宏观偏析的影响。结果表明,VAR熔炼钛合金时,熔池形状由“扁平状”逐渐向“V形”转变;凝固结束后铸锭锭底和边部Zr元素含量低,中心和冒口含量高。熔炼电流产生的洛伦兹力使熔体沿逆时针流动,且熔炼电流越大,熔体流动更剧烈;同时也导致铸锭中心和冒口处出现更为严重的宏观偏析。搅拌磁场产生的洛伦兹力作用于整个熔池,不仅促进了熔池上部熔体的流动,也有利于熔池下部熔体的流动;当无搅拌磁场和搅拌磁场较大时,都会导致Zr元素在铸锭中产生较为严重的宏观偏析。为有效控制VAR熔炼钛合金时宏观偏析缺陷的产生,应采取小熔炼电流和合适的搅拌强度。     

熔体超声波处理对Al-5%Si铸锭凝固组织的影响

为了研究超声波对金属熔体凝固过程中的影响,使用Al-5%Si合金进行了实验.在实验中采用几种不同的方法处理金属熔体:不添加除气剂、只添加除气剂、既添加除气剂又进行超声波处理.利用克劳修斯-克拉柏龙方程分析了超声波细化金属铸锭凝固组织的机理.结果表明,除气剂的添加与否对Al-5%Si合金铸锭组织的细化没有影响,铸锭由粗大的柱状晶组织构成;采用合适的超声波处理时间,Al-5%Si合金铸锭的等轴晶获得率大幅度提高,可使整个铸锭组织变为细化的等轴晶组织;超声波振动时间过长将导致铸锭内气孔的增加;根据克劳修斯-克拉柏龙方程,某一强度的超声波引起的压力冲击波作用,导致液相转变为固相,引起了超声波的细晶作用.     

大型铝合金薄壁件低压铸造工艺研究

采用有限元模拟仿真软件结合正交试验方法,对铝合金汽车座椅骨架低压铸造工艺进行数值模拟,研究了低压铸造加压工艺参数对铸件缩松、缩孔、充型及凝固规律的影响。结果表明,当充型时间为1.5s、增压压力为7kPa及保压时间为100s时,铸件缩孔、缩松率最小,且成形质量最佳。     

Internal shrinkage crack in a 10 t water-cooled steel ingot with a large height-to-diameter ratio

Steel ingot with a large height-to-diameter ratio is utilized to produce multiple products by one stock in practice. Water cooling is a usual way to enhance production efficiency. However, the combination of the two factors will generate internal defects, such as shrinkage porosity and hot crack. The characteristic of internal shrinkage crack in a 10 t water-cooled steel ingot with a large height-to-diameter ratio was examined by an ultrasonic test. A slice was sectioned from the ingot middle part where billets containing star-like crack were further extracted. The billets were examined by X-ray high energy industrial CT, and the compactness was reconstructed in three dimensions. Microstructure near the crack was observed using scanning electron microscopy, and the solidification process and grain size were studied by high temperature confocal microscopy. Moreover, thermomechanical simulation and post-processing were carried out to analyze the formation of shrinkage porosity and hot crack. A new criterion considering mushy zone mechanical behavior in brittle temperature as well as grain size distribution was proposed to evaluate hot cracking potential in the ingot. The results show that a deep shrinkage porosity band easily forms in the center line of such an ingot with a large height-to-diameter ratio, and water-cooling further generates excessive tensile stress tearing the liquid films around the porosities. Then, hot cracks begin to propagate along grain boundaries. The grain size in the upper and center of the ingot is large, which leads to an inverted cone shape defects zone in the ingot center.

     

大平板类铝合金壳体铸件铸造工艺优化与设计

针对大平板类铝合金壳体铸件的外形尺寸大、结构复杂等特点，通过三维温度场数值模拟来揭示铸件的凝固过程。根据准固态力学行为和流变行为，进行应力场模拟，进而预测铸件在凝固过程中产生缩松、缩孔以及热裂和变形等倾向，合理地实现了铸件的铸造工艺优化设计。     

铝合金下壳体压力铸造充型与凝固过程的数值模拟

利用ProCAST软件对铝合金压铸件下壳体充型、凝固过程进行了数值模拟,得到了速度场、温度场的分布和变化规律.据此提出了减少缩孔、缩松数量的优化方案.结果表明,降低浇注温度、增大压射比压,降低模具预热温度都能够有效控制缩孔、缩松的数量.按照优化后的压铸工艺参数生产出了合格的铸件.     

高钼含量TB8钛合金新型VAR熔炼工艺

研究了高钼含量TB8钛合金新型VAR熔炼工艺,采用工业纯钼粉直接加入的工艺方法熔炼生产TB8钛合金铸锭,通过选用合适的原材料和合理的VAR工艺参数,成功的生产出TB8钛合金铸锭。经过不同部位成分分析、低倍金相观察、X射线试验,证明其成分均匀且不存在高熔点、高密度钼组元等夹杂、偏析缺陷。该新型工艺的原料成本、质量成本、生产成本都大幅低于传统工艺。