一种定向凝固过程铸件雀斑缺陷数值预测方法技术

一种定向凝固过程铸件雀斑缺陷数值预测方法，本发明专利技术涉及定向凝固过程铸件雀斑缺陷数值预测方法。本发明专利技术的目的是为了解决现有实验手段研究雀斑缺陷极易造成资源浪费问题，雀斑数值预测不考虑模壳初始温度分布状态、加热炉对模壳的加热、模壳在加热炉中非中心位置放置的问题，以及蒙特卡洛射线法计算换热角系数计算量大的问题。过程为：一、对铸造系统进行网格剖分；二、基于步骤一计算辐射换热角系数；三、获得模壳温度场文件shelltem.dat；四、记录每个char＝0的网格所对应的平均成分值、固相分数和温度，记录每个char＝2的模壳网格和每个char＝4的冷铁网格的温度。本发明专利技术用于铸件雀斑缺陷数值预测领域。

【技术实现步骤摘要】
一种定向凝固过程铸件雀斑缺陷数值预测方法
本专利技术涉及定向凝固过程铸件雀斑缺陷数值预测方法。
技术介绍
定向凝固是生产叶片和单晶铸件过程中所使用的一种重要凝固技术。定向凝固的目的是获得没有晶界的单晶或晶界相互平行的柱状晶，当铸件受力方向与晶界平行时，这样所得晶粒组织有助于提高铸件的蠕变性能。因此定向凝固技术用于生产叶片或单晶铸件时是不允许形成结晶取向随机的等轴晶组织。然而在定向凝固过程中，合金，尤其是高温合金，极易形成一种严重的铸造缺陷——雀斑。形状为细长手指状的溶质富集区称为雀斑缺陷，该溶质富集区内的组织由多个细小且生长取向随机的等轴晶组成。雀斑的生长方向通常与重力方向平行或存在微小夹角，产生于铸件最外表面或尺寸厚大区域。凝固过程中合金元素的溶质再分配是雀斑产生根本原因，而重力场下合金液中形成的热溶质对流是雀斑形成的必要因素。富集溶质的金属液与无溶质富集的金属液密度不同，在铸件中溶质富集金属液处于无溶质富集金属液的下方，当金属液由于溶质富集而密度降低，相对于其上方密度较大的液体，其要向上运动，在重力作用下上方液体要向下运动，因此形成了自然对流。富集溶质的液体向上运动过程中，其所到本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种定向凝固过程铸件雀斑缺陷数值预测方法，其特征在于：所述方法具体过程为：步骤一、对铸造系统进行网格剖分，X轴方向、Y轴方向和Z轴方向采用相同的网格剖分步长，即△x＝△y＝△z米，网格的标号为(i,j,k)char；下角标char＝2表示模壳网格，下角标char＝0表示铸件网格，下角标char＝7表示加热炉中的气体网格，下角标char＝15表示加热炉的内壁网格，下角标char＝4表示冷铁网格；步骤二、基于步骤一计算辐射换热角系数；步骤二(一)、辐射换热发生在模壳最外层网格与加热炉内壁网格之间；步骤二(二)、确定模壳最外层网格；步骤二(三)、当垂直于Z轴的模壳截面形状为长方形或正方形时，计算...

【技术特征摘要】
1.一种定向凝固过程铸件雀斑缺陷数值预测方法，其特征在于：所述方法具体过程为：步骤一、对铸造系统进行网格剖分，X轴方向、Y轴方向和Z轴方向采用相同的网格剖分步长，即△x＝△y＝△z米，网格的标号为(i,j,k)char；下角标char＝2表示模壳网格，下角标char＝0表示铸件网格，下角标char＝7表示加热炉中的气体网格，下角标char＝15表示加热炉的内壁网格，下角标char＝4表示冷铁网格；步骤二、基于步骤一计算辐射换热角系数；步骤二(一)、辐射换热发生在模壳最外层网格与加热炉内壁网格之间；步骤二(二)、确定模壳最外层网格；步骤二(三)、当垂直于Z轴的模壳截面形状为长方形或正方形时，计算辐射换热角系数；步骤二(四)当垂直于Z轴的模壳截面形状为圆形时，计算辐射换热角系数；步骤三、针对每一个模壳网格，即char＝2的网格(i,j,k)，计算模壳在加热炉中的升温过程；加热过程从0s开始，时间步长为0.01s，直至每一个模壳网格温度达到稳态，保存模壳温度场数据文件shelltem.dat；Tshell-ini为模壳所允许的最高温度，与加热炉温度Tfur相同；步骤四、计算相图数据；将步骤三中所获得的模壳温度场文件shelltem.dat作为模壳初始温度；针对模壳网格，即char＝2的网格，计算能量守恒方程，获得定向凝固过程中X、Y和Z方向上温度场分布；针对冷铁网格，即char＝4的网格，计算能量守恒方程，获得定向凝固过程中X、Y和Z方向上温度场分布；针对铸件网格，即char＝0的网格，计算能量守恒方程、成分守恒方程和动量守恒方程，获得定向凝固过程中X、Y和Z方向上温度场分布、固相分数场分布和速度场分布；直到所有char＝0的网格(i,j,k)char的固相分数大于0.95；记录每个char＝0的网格所对应的平均成分值Cmix、固相分数fs和温度Tcast，记录每个char＝2的模壳网格和每个char＝4的冷铁网格的温度。2.根据权利要求1所述一种定向凝固过程铸件雀斑缺陷数值预测方法，其特征在于：所述步骤一中对铸造系统进行网格剖分，X轴方向、Y轴方向和Z轴方向采用相同的网格剖分步长，即△x＝△y＝△z米，网格的标号为(i,j,k)char；下角标char＝2表示模壳网格，下角标char＝0表示铸件网格，下角标char＝7表示加热炉中的气体网格，下角标char＝15表示加热炉的内壁网格，下角标char＝4表示冷铁网格；具体过程为：对铸造系统进行网格剖分，X轴方向、Y轴方向和Z轴方向采用相同的网格剖分步长，即△x＝△y＝△z米，网格的标号为(i,j,k)char；其中1×10-3≤△x≤2×10-3米，1×10-3≤△y≤2×10-3米，1×10-3≤△z≤2×10-3米；所述铸造系统包括模壳、铸件、加热炉中的气体、加热炉的内壁、冷铁；所述模壳位于加热炉中，铸件位于模壳中，模壳和铸件位于冷铁上；所述，X轴方向、Y轴方向和Z轴方向为以加热炉为基准的三维直角坐标系；下角标char＝2表示模壳网格，下角标char＝0表示铸件网格，下角标char＝7表示加热炉中的气体网格，下角标char＝15表示加热炉的内壁网格，下角标char＝4表示冷铁网格；其中i,j和k均为整数，1≤i≤LT，1≤j≤MT,1≤k≤NT；LT为X轴方向网格总个数，MT为Y轴方向网格总个数，NT为Z轴方向网格总个数；铸造系统在X轴、Y轴、Z轴方向上的最小值分别为Xmin、Ymin、Zmin，单位为米，在X轴、Y轴、Z轴方向上的最大值分别为Xmax、Ymax、Zmax，单位为米；Z轴平行于加热炉轴线，为加热炉重力方向；定义铸件最底层网格所对应的k值为bottomk。3.根据权利要求2所述一种定向凝固过程铸件雀斑缺陷数值预测方法，其特征在于：所述步骤二中基于步骤一计算辐射换热角系数；步骤二(一)、辐射换热发生在模壳最外层网格与加热炉内壁网格之间；k从1增加至NT,每次增加1；当k＝spek时，1≤spek≤NT,选取一个垂直Z轴的X-Y平面，i从1增加至LT，j从1增加至MT，获得在该X-Y平面上模壳几何尺寸的边界值J-left-min、J-right-max、I-front-min、I-back-max；其中J-left-min为模壳在Y轴方向上的最小网格标号，J-right-max为模壳在Y轴方向上的最大网格标号，I-front-min为模壳在X轴方向上的最小网格标号，I-back-max为模壳在X轴方向上的最大网格标号；步骤二(二)、确定模壳最外层网格；char＝2的正方体网格(i,j,spek)有6个相邻网格，当6个相邻网格中至少有一个网格的属性为char＝7时，则该正方体网格(i,j,spek)是模壳最外层网格；当垂直于Z轴的模壳截面形状为长方形或正方形时，设定变量Hot(i,j,spek)＝11表明该网格为模壳最外层网格且网格(i,j-1,spek)为炉气，设定变量Hot(i,j,spek)＝12表明该网格为模壳最外层网格且网格(i,j+1,spek)为炉气，设定变量Hot(i,j,spek)＝13表明该网格为模壳最外层网格且网格(i-1,j,spek)为炉气，设定变量Hot(i,j,spek)＝14表明该网格为模壳最外层网格且网格(i+1,j,spek)为炉气，设定变量Hot(i,j,spek)＝114表明该网格为模壳最外层网格且网格(i,j-1,spek)为炉气、网格(i+1,j,spek)为炉气，设定变量Hot(i,j,spek)＝113表明该网格为模壳最外层网格且网格(i,j-1,spek)为炉气、网格(i-1,j,spek)为炉气，设定变量Hot(i,j,spek)＝124表明该网格为模壳最外层网格且网格(i,j+1,spek)为炉气、网格(i+1,j,spek)为炉气，设定变量Hot(i,j,spek)＝123表明该网格为模壳最外层网格且网格(i,j+1,spek)为炉气、网格(i-1,j,spek)为炉气，设定其余网格的Hot(i,j,spek)均为0；当垂直于Z轴的模壳截面的形状为圆形时，计算该圆形截面中心处的centeri＝I-front-min+(I-back-max-I-front-min)/2和centerj＝J-left-min+(J-right-max-J-left-min)/2,其中centeri、centerj为圆形截面中心位置的网格标号，centeri和centerj分别取整数；设定变量Hot(i,j,spek)＝11表明该网格为模壳最外层网格，且j<centerj且i≥centeri的网格，设定变量Hot(i,j,spek)＝12表明该网格为模壳最外层网格，且j≥centerj且i≥centeri的网格，设定变量Hot(i,j,spek)＝13表明该网格为模壳最外层网格，且j<centerj且i<centeri的网格，设定变量Hot(i,j,spek)＝14表明该网格为模壳最外层网格，且j≥centerj且i<centeri的网格；设定其余网格的Hot(i,j,spek)均为0；步骤二(三)、当垂直于Z轴的模壳截面形状为长方形或正方形时，在k＝spek所对应的X-Y平面上，统计加热炉内壁网格中j≤J-left-min的网格个数Num-left-fur；统计加热炉内壁网格中j≥J-right-max的网格个数Num-right-fur；统计加热炉内壁网格中i≤I-front-min的网格个数Num-front-fur；统计加热炉内壁网格中i≥I-back-max的网格个数Num-back-fur；统计Hot(i,j,spek)＝11的模壳网格个数Num-left-shell,统计Hot(i,j,spek)＝12的模壳网格个数Num-right-shell,统计Hot(i,j,spek)＝14的模壳网格个数Num-back-shell,统计Hot(i,j,spek)＝13的模壳网格个数Num-front-shell；如果Hot(i,j,spek)＝11，辐射换热角系数如果Hot(i,j,spek)＝12，辐射换热角系数如果Hot(i,j,spek)＝13，辐射换热角系数如果Hot(i,j,spek)＝14，辐射换热角系数如果Hot(i,j,spek)＝114，辐射换热角系数如果Hot(i,j,spek)＝113，辐射换热角系数如果Hot(i,j,spek)＝124，辐射换热角系如果Hot(i,j,spek)＝123，辐射换热角系步骤二(四)当垂直于Z轴的模壳...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘东戎，赵红晨，任莹，朱泓宇，郭二军，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23