分享：大高径比 K417镍基高温合金锭 二次缩孔缺陷的数值模拟

谭庆彪1,王 博2,董鸿志2,汪东红1,祝国梁1 

(1.上海交通大学材料科学与工程学院,上海市先进高温材料及其精密成形重点实验室,上海 200240; 2.江苏隆达超合金航材有限公司,无锡 214104) 

摘 要:利用 ProCAST 有限元分析软件对大高径比 K417镍基高温合金铸锭充型及凝固过程 进行数值模拟,模拟研究了合金锭在凝固过程中其二次缩孔缺陷形成位置、数量和成因,及浇注温 度和浇注速度对二次缩孔缺陷的影响,并进行了试验验证。结果表明:数值模拟得到的合金缩孔缺 陷分布与实际生产的合金锭缺陷分布趋势一致,证明了数值模拟结果的准确性。提高浇注温度、 降低浇注速 度 能 在 一 定 程 度 上 抑 制 合 金 锭 二 次 缩 孔 缺 陷 的 形 成,但 无 法 完 全 消 除 缺 陷,在 1530 ℃、浇注速度1.40kg·s -1条件下,合金锭的缩孔缺陷最少。

 关键词:铸造镍基高温合金;浇注工艺;大高径比;二次缩孔缺陷;数值模拟 中图分类号:TF807 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)09-0064-06

0 引 言 

航空发动机和燃气轮机中热端部件的质量在很 大程度上影响着其工作效率及运行可靠性[1-2],因此, 提升热端部件的质量始终受到国内外学者的高度重 视。目前热端部件通常采用高温合金锭熔模铸造工 艺生产,即将预制的高温合金锭在真空感应炉内重熔 后浇注而成。因此,获得高纯净度、均匀、无缩孔的高 温合金锭是提高热端部件质量的前提。高温合金锭 普遍采用金属模铸法制备,铸模通常被设计为具有大 高径比(铸件高与直径的比值大于10)的圆柱体[3]。

金属模铸造的产品具有工艺可操作性好[4]和产品表 面精度高[5]等特点。K417合金是我国最早研制出的 用于第 一 代 空 心 叶 片 的 镍 基 铸 造 高 温 合 金,可 在 850~950℃下长期服役。该合金具有强度高、塑性 好、密度低等优点,目前仍在大量使用。由于镍基高 温合金熔体黏度较大,流动性较差,且金属型铸模的 导热快,对于大高径比的合金锭,在沿轴向中心线凝 固过程中易形成二次缩孔。与一次缩孔不同,二次缩 孔隐藏于合金锭内部,呈连续或不连续分布。在精密 件铸造过程中,出于配重及重熔的需要,往往需将合 金锭切短使用,此时,二次缩孔缺陷就会暴露出来,水 汽和杂质极易渗入缩孔,导致铸件质量较差。 目前,针对高温合金缩孔缺陷的研究主要聚焦于 高温合金铸件[6-7],对高温合金锭的关注极少[8]。虽然 已有大量的文献报道了钢锭中缩孔缺陷的研究情 况[9-16],但与铸造用高温合金锭相比,钢锭的高径比远 小于 高 温 合 金 锭 的 高 径 比,不 具 备 参 考 意 义。 ProCAST有限元软件能够基于质量、动量和热量传输 方程以及常用的缺陷判别准则直观地模拟出流动、传 热过程以及缺陷分布情况[17-19],并可快速进行工艺调 整,提高合金锭质量[20],从而大大缩短研制周期,降低 开发成本[21],已在钢锭研究中表现出巨大的优势[10-12]。 因此,作者通过ProCAST软件对大高径比 K417 镍基高温合金锭的充型及凝固过程进行数值模拟,研 究其二次缩孔缺陷产生的原因及浇注工艺对大高径 比合金锭二次缩孔的影响规律,为减少大高径比高温 合金锭中缺陷的产生及提高合金锭质量提供依据。

 1 有限元模型的建立

 1.1 材料参数的确定

 试验材料为江苏隆达超合金航材有限公司生产 的 K417镍基高温合金,化学成分见表1。该合金的热物性参数由JMatPro热力学软件计 算获得,计算时取各成分范围的中值,如图1所示。 将计算获得的 K417合金热物性参数(热导率、焓、密 度、液相黏度和弹性模量)与温度的关系曲线导入 ProCAST软件的材料库。

 1.2 合金锭浇注模型的建立 

图2给出了合金锭浇注的几何模型和有限元模 型。合金锭模型的尺寸为?80mm ×1200mm,高 径比为15,合金锭质量约45kg。将几何模型导入 MeshCAST软件中进行网格划分。网格为四面体,网格尺寸为10mm,网格总数量为140905个。 1.3 边界条件的确定 初始条件包括浇注前铸模温度、浇注温度和重 力方向。模拟用浇注条件依据现场测量得到:浇注 温度为1490~1530℃,充填时间为22~32s,铸模 预热温度为150 ℃,重力方向为竖直向下,沿z 轴 负方向。运行总步数设置为50000,浇注类型设置 为重力浇注。 边界条件主要包括速度边界条件和换热边界 条件。速度 边 界 条 件 设 置 在 浇 口 中 心,浇 注 速 度 由合金锭及冒口系统质 量 计 算 得 到,处 于 1.40~ 2.04kg·s -1之间,与实际生产条件一致。合金锭传 热边界条件根据经验设定,铸模和合金锭间传热系 数为750W·m -2·K -1,冒口与合金锭的综合传热系 数为150W·m -2·K -1,底部石墨与合金锭的传热系 数为1500 W·m -2·K -1。

 2 结果与讨论 

2.1 合金锭凝固过程温度场与固相分布模拟结果 

由图3可见:合金锭底部(A)和外壁(H,I,J)的 凝固时间短于合金锭内部(B,C,D,E,F,G)的凝固 图3 浇注温度1510 ℃、浇注速度1.66kg·s -1下合金锭不同 位置的凝固时间 Fig.3 Solidificationtimeatdifferentpositionsofalloyingotat 1510 ℃ pouringtemperatureand1.66kg·s -1pouringspeed 时间;在合金锭内部,接近底部位置(B)的凝固时间 最短,其次是冒口下部(F)位置。由图4可见:合金 锭底部位置 A 处和靠近合金锭底部位置 B 处的合 金熔体温度急剧下降,这是由于铸模底部采用石墨 垫块,增加了合金与石墨垫块的传热,导致合金熔体 在铸模底部快速凝固;随着位置的上移(C,D,E,F, G),合金熔体的温度下降速度明显降低;在凝固过 程中,F位置的温度始终处于 C,D,E 位置之下,表 明 F位置比其他位置更早凝固,G 位置的温度远远 高于 C,D,E 位置,表明 G 位置的凝固时间远晚于 这些位置。在凝固初期,铸模壁 H 和I位置的温度时间曲线与 A 处相似,但J处凝固速率要慢于 A, H,I处,这是由于极高温度的合金熔体浇入铸模后 导致铸模温度升高的缘故。综上可知,合金锭的凝 固基本遵循由下往上,由外至内的顺序进行。 由图5可见:在凝固初期(28s),仅在铸模底部 和中下部铸模壁出现固相;随凝固的进行(60s),铸 模底部固相并没有明显增多,但沿铸模壁开始出现 固相;随凝固进一步发展(100s和170s),固相沿径 向出现的速度明显快于沿轴由下往上出现的速度; 当凝固进行到后期时(210s),铸模冒口下方附近的补缩通道已经被糊状熔体(固-液两相混合体)堵塞, 形成“金属桥”,且铸模中下部沿中心线也出现断断 续续的小面积孤立液相区。合金锭凝固过程中不同 位置固相含量随时间的变化与合金锭不同位置温度 随时间的变化相符。因此,合金锭沿轴线自下而上 存在缩孔缺陷,且合金锭中上部出现缩孔缺陷的概 率大于合金锭中下部,由图6所示。 图6 在浇注温度1510 ℃、浇注速度1.66kg·s -1下浇注后 合金锭的二次缩孔缺陷分布 Fig.6 Distributionofsecondaryshrinkagecavityinalloyingot after pouring at 1 510 ℃ pouring temperature and 1.66kg·s -1 pouingspeed

 2.2 试验验证 

从实际生产(生产条件与模拟条件相同)的两批 次合金锭中随机挑选 2 个试样进行解剖验证。由 图7可见,在浇注温度1510 ℃、浇注速度1.66kg· s -1下浇注后合金锭沿轴向自下而上均存在大量的 二次缩孔缺陷。由于生产中浇注工艺参数的波动, 两批次生产的合金锭二次缩孔缺陷分布不完全一 样,但总体来看,合金锭中上部区域出现的缩孔缺 陷数量与面积明显大于中下部区域。实际生产的 合金锭二 次 缩 孔 缺 陷 分 布 与 ProCAST 软 件 模 拟 的合金锭二 次 缩 孔 缺 陷 分 布 一 致,验 证 了 数 值 模 拟的准确性。 图7 在浇注温度1510 ℃、浇注速度1.66kg·s -1下实际生产的合金锭 二次缩孔缺陷分布 Fig.7 Distribution of secondary shrinkage cavity in actually manufacturedalloyingotsat1510 ℃ pouringtemperature and1.66kg·s -1pouringspeed

 2.3 浇注工艺参数对二次缩孔分布影响的模拟

 由图8可见:在相同浇注温度(1530 ℃)下,随 浇注速度的提高,合金锭中二次缩孔缺陷的体积分 数明显增加,表明较低的浇注速度可以减少合金锭 中 二 次 缩 孔 缺 陷 的 产 生;在 相 同 浇 注 速 度 (1.40kg·s -1)下,随浇注温度的升高,合金锭二次 缩孔缺陷的体积分数略有减小,表明较高的浇注温 度可以略微减少合金锭中的二次缩孔缺陷。因此, 浇注温度1530 ℃,浇注速度1.40kg·s -1为最优浇 注工艺参数。从程度来看,降低浇注速度更有利于 减少合金锭中的二次缩孔缺陷。

 2.4 讨 论 

虽然提高浇注温度和降低浇注速度均可抑制大 高径比合金锭二次缩孔缺陷的产生,但从温度场分 布(见图9)来看,即使在最优的浇注工艺参数下,合 金锭冒口下部位置的凝固依然会很快,导致合金锭 锭身与顶部间形成“金属桥”,堵塞了合金液的补缩 通道。因此,优化浇注工艺参数仍无法避免合金锭 二次缩孔缺陷的形成。 宋方方等[11]针对小高径比合金锭的模拟结果 表明,冒口隔热能力的提高有利于减少合金锭顶部 缩孔缺陷,但加强锭身与底部冷却强度对合金锭中 上部缩孔几乎没有影响。对大高径比合金锭而言, 这一现象更为明显。要彻底消除大高径比合金锭 “金属桥”现象,就需要设计新型铸模,从根本上改变 合金锭凝固温度场。因此,针对新型铸模的设计及 效果验证研究工作依然任重而道远。 

3 结 论

 (1)数值模拟得到的合金锭二次缩孔缺陷分布 与 实际生产的合金锭二次缩孔缺陷分布情况一致,证 明了数值模拟结果的准确性。 (2)数值模拟结果表明,大高径比高温合金锭 二次缩孔缺陷产生的根本原因在于温度分布不合 理,使得凝固后期合金锭顶部形成“金属桥”,导致合 金锭中心部位凝固收缩后得不到有效补缩,最终形 成二次缩孔缺陷。 (3)升高浇注温度或降低浇注速度有利于减少大 高径比合金锭二次缩孔缺陷,但仅靠浇注工艺优化无 法完全消除这类缺陷,需要设计新型铸模,改变合金锭 凝固过程中温度分布。在浇注温度1530℃、浇注速度 1.40kg·s -1条件下合金锭中二次缩孔缺陷最少。

来源：材料与测试网