PDF《ZL114A合金定向凝固过程的模拟与实验》

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4 Aa l l o y t e s t r o dp r e p a r e du n d e r t h i s p r o c e s s c o n d i t i o nh a s a h i g h e r d e g r e e o f f i n e g r a i n e dm i c r o s t r u c t u r e a n dl e s s m i c r o d e f e c t s ,i t h a s b e t t e r m a t e r i a l p r o p e r t i e s . K e y w o r d s : Z L

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4 Aa l l o y ;

d i r e c t i o n a l s o l i d i f i c a t i o n ;

P r o C A S T ;

p u l l i n gr a t e Z L

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4 A合金具有良好的力学性能、 铸造性能和抗 腐蚀性能等优点, 被广泛应用于军工和民用等领域, 常 用于制造飞行器, 导弹上承受高负荷的零部件以及汽 车上的高性能结构件等[

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5 .关于铝基合金, 国内外 学者的研究主要集中在用各种时效手段调控合金时效 析出组织、 优化合金成分、 净化处理和变质处理等方 面.随着形变强化理论的快速发展, 以及热处理工艺 的逐渐成熟, 已有学者尝试通过定向凝固技术来提高 铸造铝合金的性能, 更有学者尝试通过定向凝固技术 来提高铸造铝合金的性能, 并已取得了良好的效果. 定向凝固技术用于提高铸造铝合金性能的研究逐渐受 到关注, 但目前还未发现针对 Z L

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4 A合金的研究和 报告[

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3 ] . 目前工业生产上主要采用高速凝固 ( h i g hr o d e 第36卷 第 6期

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1 8年12月 轻工机械 L i g h t I n d u s t r yMa c h i n e r y V o l .

3 6N o .

6 D e c .

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1 8 s o l i d i f i c a t i o n ,H R S ) 法来生产合金的定向凝固铸件, H R S 法具有易于操作和控制等优点, 广泛应用于航空 涡轮叶片等小尺寸铸件[

4 ] .H R S法主要依靠水冷铜 板进行散热, 在合金溶液刚开始凝固的时候, 能够获得 较大的温度梯度.但是, 随着合金的逐渐下拉, 其离水 冷铜板的距离越来越远, 散热能力逐渐下降[

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6 .相 较于 H R S 法, L M C法则是依靠低熔点液态金属来进行 散热, 接触面积和换热系数相比于水冷铜板有很大的 提升, 拥有更高的温度梯度和更快的凝固速率.最终, 在铸件成型时, 可以获得较为理想的成型效果和更加 细化的晶粒组织[

6 ] .因此, 采用 L M C定向凝固技术成 型ZL114A铸件具有一定的优势. B r u n d i d g e 等[

7 ] 的实验中采用了锡冷和浮动陶瓷 挡板, 分析并总结出铸件组织的细化程度与抽拉速率 之间的影响规律.K e r m a n p u r A等[

8 ] 在LMC定向凝 固工艺的温度场模拟做出相应的改进.E l l i o t t A J 等[

9 ] 的研究表明, 采用了新型锡液冷却技术, 温度梯 度、 冷却速率和枝晶细化程度相比于传统工艺提高了 很多. 课题组建立了 Z L

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4 A合金试棒的三维实体模 型, 采用 P r o C A S T模拟仿真了其 L M C定向凝固过程, 分析了抽拉速度对试棒的温度梯度场、 糊状区和枝晶 生长速率的影响规律.最后依据模拟结果完成 L M C 定向凝固试验, 并将模拟结果与实际结果作比较.

1 数值模拟

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1 有限元模型 图 1所示为 L M C定向凝固原理示意图.设备主 要包括: 加热炉、 固定挡板、 激冷盘、 抽拉装置和冷区. 实验开始前, 先将棒料和模壳固定在激冷盘上置于加 热炉( 真空状态下) 中加热, 待棒料完全融化, 静置保 温一段时间后, 按已设定好的抽拉速度将棒料及模壳 抽拉到冷区( 真空状态下) , 直至铸件完全凝固. 图 2所示为实验用 L M C定向凝固炉网格模型, 其 中虚拟冷区中所用的液态金属为镓铟成分比为