Ti47Al2Cr2Nb合金铸件应力和变形数值模拟的研究

论文摘要

随航空航天事业的发展,对高温合金材料的性能要求也越来越高。TiAl基合金作为一种金属间化合物,同时兼具金属与陶瓷的性能,其具有高的比强度、高的熔点以及高弹性模量、良好的高温抗氧化及抗阻燃性能,良好的满足了航天领域耐热结构件所须性能要求,但其同时具有延展性低、复杂零件难以成型等特点,特别对于薄壁件成型过程容易发成开裂及变形。本文采用实验以及铸造模拟分析技术,对Ti47Al2Cr2Nb合金熔模精密铸造铸件进行了应力和变形数值模拟研究,通过试验测定与文献查询确定合金铸造过程温度场模拟及应力模拟所须物性参数,并通过应力框结构模拟实验分析铸造过程中各种工艺参数对铸件应力与变形的影响,最后通过实验验证;在实验基础上,対实际薄壁筒形铸件进行工艺优化,确定最优工艺方案。通过对应力框铸件模拟分析试验,得到合金浇注温度、型壳预热温度、离心转速等浇注条件对铸件应力与变形影响规律。结果表明,在保证铸件充填完整前提下,适当降低合金浇注温度,提高型壳预热温度,适当提高离心转速可以降低铸件内部有效残余应力,并可降低高温阶段开裂趋势。型壳预热温度铸件有效应力分布影响最大,合金浇注温度次之,离心转速的影响最小。实际浇注铸件与模拟结果对比分析,结果吻合良好。对薄壁圆筒件对比分析了不同浇注系统结构,不同浇注工艺参数,对其易开裂部位进行分析,得到最优工艺方案:采用离心铸造工艺,顶注式浇注系统,型壳预热温度500℃,降低浇注温度(约过热90℃),离心转速180r/min。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 TiAl 合金铸造过程数值模拟的研究进展
• 1.2.1 国内外数值模拟方向发展现状
• 1.2.2 TiAl 合金的发展
• 1.2.3 TiAl 合金铸造工艺与数值模拟研究
• 1.3 铸造模拟软件
• 1.4 本课题主要研究内容
• 第2章 模拟所需参数测定及边界条件的确定
• 2.1 引言
• 2.2 Ti47A12C12Nb 合金物性参数确定
• 2.2.1 测定合金密度 ρ
• 2.2.2 合金导热系数λ与比热c 测定
• 2.2.3 合金热膨胀系数测定
• 2.2.4 合金固相率的确定
• 2.2.5 合金力学性能参数的测定
• 2.2.6 合金显微硬度测定
• 2.3 型壳热膨胀系数测定
• 2.4 表面换热系数的确定
• 2.5 本章小结
• 第3章 Ti47A12Cr2Nb 合金应力框铸件应力和变形数值模拟研究与验证
• 3.1 引言
• 3.2 应力框铸件的数值模拟
• 3.2.1 应力框结构概况
• 3.2.2 应力框铸件的数值模拟
• 3.3 模拟结果分析
• 3.3.1 工艺参数对铸件应力和变形影响的研究
• 3.3.2 铸件结构对铸件应力和变形影响的研究
• 3.4 实验验证
• 3.4.1 浇注试验方法
• 3.4.2 试验结果验证
• 3.5 本章小结
• 第4章 Ti47A12Cr2Nb 合金筒形件应力与变形的数值模拟研究
• 4.1 引言
• 4.2 铸件三维造型与浇注系统设计
• 4.3 模拟结果分析
• 4.3.1 底注式重力铸造模拟结果分析
• 4.3.2 顶注式重力铸造模拟结果分析
• 4.3.3 顶住式离心浇注模拟结果分析
• 4.4 铸件应力因素影响分析
• 4.5 铸件变形因素影响分析
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢