高温合金大型薄壁精密铸件热控凝固过程热分析研究

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1、第31從iffHI航空材料学报Vol.31.SI2011年）2月JOURNALOKAERONAUTICALMATERIALSDecember2011高温合金大型薄壁精密铸件热控凝固过程热分析研究盖其东，张勇，谷怀鹏，汤鑫，曹腊梅（北京就空材料研究院先进奇温结构材料PI防科技敌点试验室.北京100095）摘要：就空发动机中的高温合金大密铸件在普通铸造时容易产生严童的班松缺陷和晶粒尺寸不均匀的问题。本文采用热控型固工艺（TCS）在K4169合金试板上对影响聽粒尺寸的因索进行了试脸•并编制世序对采築列的温度数据进行热分析研究•得到了在试验用设务上实现均匀你粒尺寸试板所对腹

2、的热參数G/R曲线及范国。关■词：高詔合金；婕控凝固;熔模铸造；大型薄壁铸件；统松；R粒航空航天发动机中经常使用各种大型薄壁复杂零件，如喷嘴环、机便和调节片等。以往该类零件多采用铸造焊接组合件，导致了加工、检测和维护等方面工作屋大，成本高，另外由于焊接部位和基体之间性能的差异,也给零件的好命等方面带来不利影响。铸造方法可采用轅体铸造件的方法代替组合件，能够有效祓少各部分性能差异•并显芳降低成本。但是由于该类铸件大部分迢薄唯件，应用普通的精密铸造工艺时，液态金属的充型能力和补缩性能都很差，所以极易产生疏松、欠铸和裂纹等冶金缺陷。针对该问题，美国pcc公司研发r•热控凝

3、固（Thermallycontrolledsolidification,以卜•简称TCS）工艺及其设备•并于1988年形成了专利。TCSX艺町以铸造大型复杂薄壁的高温合金铸件（K径约100cm、壁甲约150cm）,并且同评通铸逍相比具有较细仇均匀的晶粒度。TCS工艺发展于定向凝固技术，氏典型骷粒形态为均匀一致的零轴晶•显微组织较细c对于一定成份的合金的结骷过程，凝固界面的沿的温度梯度G和凝固界面前沿的移动速度R是支配着其组织结构形态和细化程度的主要参数⑴。图1中从右下方到左上方，C/R逐渐滅少，晶体的组织也由平面前沿的柱状晶生长逐渐发展为等轴晶。与此同时G・R的大小

4、控制若各种结晶形态的微观尺度。随看G・R自左下方向右上方逐渐增大，结晶形态由粗的柱晶转变为细的柱进而变为细的等轴晶。收确日期：2011.10-20；修订口期：2011-114）9作者简介：孟梵东（1978-）•男•工程师.从事岛洱合金蒂密伶jfi工艺研究・（E-mail）qidong.gai@biam.ac.cn«因此通常使用凝固界而的沿的温度梯度（G）对凝固界面前沿的推进速度（R）之比描述铸态组织。相对较大的G/R产生定向品粒，相对较小的G/R产生较细的等轴晶粒。在合适的条件下.TCS.I：艺应用G/R比，产生了相对小的等轴晶以。由于TCSI艺中固液界面前沿C/

5、R比值仅限于某一较窄范围内，因此对凝固过程的控制要求远比定向和单晶铸造技术要精确。要实现该工艺，必须在整个凝固过程中利用计算机软件实时检测和控制铸件的凝固前沿或其他憊兴趣温度的G/R不会超出某一范田。本文仅就TCSX艺过程中的热分析进行了计算机编程和初步研究，能够读取工控软件记录文件•半F1动计算分析G/R等热参数。图I凝固组织示盘图Fig.1SchematicillustrationofSolidificationMorphologies1试验1.1试验方法本试验采用不同厚度的K4169合金试板，模拟大型薄壁铸件不同厚度的部位进行浇注。试板长度为50cm.宽度为1

6、0cmJ?度分別为0.5cm和1・2叫本试验在一台150"其空頤应炉匕进行。金属凝固过程中进行匀速抽拉•型处中间位置沿垂H方向分布的6根W・Rc热电偶•记录各点的洱度冷却曲线•见图2。GraphiteHealerThermocoupleFlatPlateInsulalionLayerInductionCoilTrayWaterChiller图2TCS平板试檢示盘图Fi*・2SchematicilluMlrationofflatplatrlentf<>rTCStechnology1.2计算程序的集制思路、方法及界面计算程洋使用％lphi7软件进行编程，能够读人工控软件

7、输出的时间■温度数撫文件，并对感兴趣的某等温线的梯度C以及移动速度K等热力学参数进行计算。一般使用公式（I）來进行G/R平均位的计算：(I)本文中按照最小二乘法的思路,利用高斯矩阵变换的方法，对某一时刻的热电偶位匱和温度曲线进行三次方多项式的系数计算，拟合后的各个时刻对应曲线的相关系数均处于0.9左右.结果有较强的可佰度。在对某一时刻曲线的任进行求导就会側到该位置的斜率，即温度梯度（；。该结果比一般用到的平均他更能反映温度场的实际情况。利用某一温度与热电偶位堑和温度曲线相交.即町得到该温度对应的各个时刻和位直，进行三次方多项式的拟合计算后的相关系数均大于0.99