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方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。
技术介绍
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的中国专利技术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的中国专利技术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。该专利技术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，该专利专利技术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。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术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。根据本专利技术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。本专利技术第二个专利技术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，以及本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大型复杂薄壁高温合金铸件凝固模拟用参数采集方法，其特征在于，包括：/n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；/n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；/n测定所述高温合金随温度变化的线膨胀系数。/n

【技术特征摘要】
1.一种大型复杂薄壁高温合金铸件凝固模拟用参数采集方法，其特征在于，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。


2.根据权利要求1所述的大型复杂薄壁高温合金铸件凝固模拟用参数采集方法，其特征在于，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。


3.根据权利要求2所述的大型复杂薄壁高温合金铸件凝固模拟用参数采集方法，其特征在于，所述台阶的数量最少为2个。


4.一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，采用权利要求1-3中任一项所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。


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，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。


6.根据权利要求5...

【专利技术属性】
技术研发人员：康茂东，王俊，李建中，王国祥，高海燕，孙宝德，
申请(专利权)人：上海交通大学，江苏中超航宇精铸科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31