一種定向凝固葉片澆注系統用內置擋板的設計方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于精密鑄造領域，具體涉及一種定向凝固葉片澆注系統用內置擋板的設計方法。
【背景技術】
[0002]定向凝固技術是在鑄型中建立特定方向的溫度梯度，使液態金屬沿著與熱流方向相反方向，或沿晶體學優先方向進行凝固的工藝。定向凝固葉片的熱流向單一方向流動并垂直于生長中的固液界面，因此定向葉片經低倍腐蝕后檢測出的晶粒取向同固液界面前沿形狀有十分緊密的聯系，即保證一個水平的糊狀區將有利于柱狀晶沿主軸方向生長的直線程度。然而，由于葉型曲面的連續扭曲變化，爐體型殼同鑄件之間輻射換熱關系復雜，使葉片生產過程中柱狀晶生長規律難以判斷，柱狀晶生長傾斜方向難以控制。在柱狀晶長到一定高度以后柱狀晶可能發生晶粒會聚所導致的斷晶，也可能發生發散生長導致葉身上端晶粒粗大等現象。通常為滿足驗收標準要求，技術人員需要采取試錯法對澆注系統設計進行摸索，由于環境人為因素的影響對變化的規律易于形成誤判，拖延葉片研制進度。
【發明內容】
[0003]針對現有技術存在的問題，本發明提供一種定向凝固葉片澆注系統用內置擋板的設計方法，目的是通過澆注試驗結合ProCAST軟件模擬分析的方式來設計內置擋板，控制定向凝固葉片柱狀晶組織呈直線狀伸展，保證結晶方向同主軸方向基本一致，偏離角度<15°，柱狀晶的發散度<20°，同時縮短試制周期，降低生產成本。
[0004]實現本發明目的的技術方案按照以下步驟進行:
(1)組裝無內置擋板的定向凝固葉片澆注系統，將澆口杯、上圓盤、中柱管、底盤和陶瓷葉片型殼組裝在一起，置于真空爐水冷銅盤上，在真空爐中進行澆注試驗，高溫合金熔化后，在一定澆注溫度T下經澆口杯進入陶瓷葉片型殼內，真空爐鑄型室加熱溫度同樣為T，經保溫達到溫度均勻、靜止狀態后，隨水冷銅盤一起自上而下運動，在陶瓷葉片型殼內凝固的葉片形成自上而下的溫度梯度，高溫合金液在水冷銅盤的激冷作用下結晶，充滿陶瓷葉片型殼的整個型腔，得到定向葉片鑄件，在此過程中，充型時間為t，拉晶速度為V，選取葉片葉根、葉身一半高度及葉尖位置的等距離三點作為測溫點，測量高溫合金葉片不同位置溫度隨時間變化的冷卻曲線，對得到的定向葉片鑄件進行低倍組織腐蝕分析，統計葉片表面形核個數和體形核個數，并確定定向葉片鑄件上最容易出現斷晶的位置；
(2)采用ProCAST鑄造過程模擬軟件，調用visualCAST模塊，設置和步驟(I)中實際澆注工藝相同的工藝參數:澆注溫度T、真空爐鑄型室加熱溫度T、充型時間t、拉晶速度為V，爐體輻射系數取0.7，作為鑄造過程模擬的初始數值參數條件，熱交換系數取值在300~1000ff/m 2/K之間，在軟件可視界面窗口得到模擬的定向葉片澆注過程中隨時間變化的動態凝固圖像，在動態凝固圖像中的定向葉片上找到與步驟(I)中測溫點位置相同的三個點，將這三點的冷卻曲線和步驟(I)中的對應位置處的冷卻曲線進行比較，通過調整熱交換系數取值，使步驟(2)中的冷卻曲線與步驟(I)中的冷卻曲線一致，最終確定的熱交換系數是和實際熔鑄工藝最相符的熱交換系數ε，以該熱交換系數作為軟件模塊模擬的邊界條件；然后調用模擬軟件中計算組織場的CAFE模塊，調整CAFE模塊中的表面形核個數和體形核個數的參數取值，使其與步驟(I)中的葉片低倍組織腐蝕分析的表面形核個數和體形核個數一致；
(3)在步驟(2)中的數值參數和邊界條件下，在軟件可視界面窗口得到該條件下模擬的定向葉片澆注過程中隨時間變化的動態凝固圖像，在動態凝固圖像中找到步驟(I)中對應的最容易出現斷晶的位置，分析當該位置處于糊狀區時，葉片凝固的固液界面是否水平，當葉片的凝固界面上葉片外側先于葉片內側凝固時，在實際澆注過程中需要調整葉片自身的擺放角度，通過將葉盆面、進氣邊朝外減緩外部散熱，當葉片的凝固界面上葉片內側先于葉片外側凝固時，在實際澆注過程中需要設置內置擋板，減緩葉片內部散熱；
(4)調用模擬軟件中計算組織場的CAFE模塊，在模擬軟件的可視界面中模擬出葉片葉身上的柱狀晶取向圖，分析確定葉身出現晶粒斷晶或取向偏離超過15°的位置，選取葉身晶粒畸變位置向下20mm作為內置擋板下沿位置，取葉身頂端高度向下20mm作為擋板上沿位置；
(5)繼續調用模擬軟件的VisualCAST模塊，將內置擋板的上沿位置和下沿位置、內置擋板與葉片內側的距離d作為模擬的邊界條件，再次在軟件可視界面窗口得到模擬的定向葉片澆注過程中隨時間變化的動態凝固圖像，在動態凝固圖像中找到步驟(I)中對應的最容易出現斷晶的位置，分析當該位置處于糊狀區時，葉片凝固的固液界面是否水平，當葉片的凝固界面上葉片外側先于葉片內側凝固時，說明葉片內側散熱過快，需要減小葉片與內置擋板的距離，當葉片的凝固界面上葉片內側先于葉片外側凝固時，說明葉片內側散熱過慢，需要增大葉片與內置擋板的距離，直到動態凝固圖像中固液界面前沿呈水平直線，說明葉片內側和外側的散熱速率一致，此時葉片與內置擋板之間的距離d作為設計距離；
調用計算組織場的CAFE模塊，在模擬軟件的可視界面中獲得具有內置擋板條件下的葉片葉身上的柱狀晶取向圖，同標準對柱狀晶組織要求進行對照，以確定晶粒取向是否符合交付條件；
(6)根據步驟(5)的內置擋板參數取值制造內置擋板，并進行蠟模組合，在中柱管上設置四處肋板，肋板上套設圓環形內置擋板，使內置擋板懸于葉片陶瓷型殼內側，按照步驟
(5)的最佳葉片澆注工藝參數取值進行實際澆注操作，獲得柱狀晶取向符合要求的定向葉片鑄件。
[0005]與現有技術相比，本發明的特點和有益效果是:
本發明主要是利用ProCAST鑄造仿真軟件直觀的模擬在特定熔鑄環境下澆注糊狀區的水平程度，并結合對定向葉片的測溫、金相腐蝕結果分析，固化虛擬仿真邊界條件，提高模擬準確度。本發明采取澆注試驗結合ProCAST軟件模擬分析的方式來設計內置擋板，利用CAFE模塊虛擬晶粒組織的生長狀態，預測不設擋板葉片組織的生長方向發生畸變的部位。然后，分析溫度場預判內置擋板對固液前沿形狀的影響，并通過測量其傾斜角度同擋板直徑間關系來確立擋板的大小，最終對葉片晶粒生長取向及晶粒度是否符合生產標準做出初步評估。
[0006]通過本發明方法設計澆注系統能夠節省大量的試制費用，試驗脈絡更加清晰，充分發揮技術人員在定向凝固葉片澆注系統內置擋板設計中的能動性，使工作人員對冶金缺陷實施有效預測，在澆注前采取對策，確保葉片的質量，縮短試制周期，降低生產成本。
【附圖說明】
[0007]圖1是現有技術中定向凝固葉片澆注系統的整體結構示意圖；
其中:1:澆口杯；2:陶瓷葉片型殼；3:真空爐水冷銅盤；4:下拉裝置；5:輻射擋板；6:加熱裝置；7:加熱區；8:冷卻區；
圖2是葉片上測溫點示意圖；
其中:a:葉尖測溫點；b:葉身一半高度測溫點；c:葉根測溫點；
圖3是本發明實施例中軟件模擬動態凝固圖像中斷晶位置處于糊狀區時葉片凝固的固液界面示意圖；
其中:s:固相區；1:液相區；sl:固液界面前沿線；(I):三維模擬圖；(2):平面模擬圖；
圖4是本發明實施例中軟件模擬出葉片葉身上的柱狀晶取向圖；
(3):三維模擬圖；(4):平面模擬圖；
圖5是本發明實施例中確定葉片與內置擋板之間的設計距離后的斷晶位置處于糊狀區時葉片凝固的固液界面示意圖；
其中:s:固相區；1:液相區；sl:固液界面前沿線；(5):三維模擬圖；(6):平面模擬圖；
圖6是本發明實施例中確定最佳葉片澆注工藝參數取值后軟件模擬出葉片葉身上的柱狀晶取向圖；
(7):三維模擬圖；(8):平面模擬圖；
圖7是設置內置擋板后的葉片澆注系統立體結構示意圖；
圖8是設置內置擋板后的葉片澆注系統平面結構示意圖；
圖9是擋板結構示意圖；
其中:1:饒口杯；2:陶瓷葉片型殼；9:上圓盤；10:底盤；11:內置擋板；12:肋板；13:
中柱管。
【具體實施方式】
[0008]本發明實施例中使用的ProCAST軟件購買自美國USE公司。
[0009]下面結合具體實施例對本發明的技術方案做進一步說明。
[0010]本實施例的定向凝固葉片澆注系統用內置擋板的設計方法按照以下步驟進行:
(I)組裝無內置擋板的定向凝固葉片澆注系統，將澆口杯、上圓盤、中柱管、底盤和陶瓷葉片型殼組裝在一起，陶瓷葉片型殼呈環形排布，相鄰葉片最小間隔25_，單殼厚度6~10mm，起始段設計為高度15~25mm長方體，頂部冒口設計成圓盤狀，厚度15~20mm，在圓盤冒口及中注管連接部位用陶瓷片封堵不進料，置于真空爐水冷銅盤上，如圖1所示，在真空爐中進行澆注試驗，高溫合金熔化后，在澆注溫度1500°C下經澆口杯進入陶瓷葉片型殼內，真空爐鑄型室加熱溫度同樣為1500°C，經保溫達到溫度均勻、靜止狀態后，在下拉裝置的作用下隨水冷銅盤一起自上而下運動，在陶瓷葉片型殼內凝固的葉片形成自上而下的溫度梯度，高溫合金液在水冷銅盤的激冷作用下結晶，經螺旋選晶器選晶后充滿陶瓷葉片型殼的整個型腔，得到定向葉片鑄件，在此過程中，充型時間為5s，拉晶速度為4m