TiB2/A356薄壁筒体零件的熔模铸造与数值模拟研究

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金属基复合材料具有比模量高、比强度好、导热与导电性能优异、高温条件下热变形量少、化学性能稳定等优点,在航空、航天、汽车等领域得到大规模应用。而在金属基复合材料中,颗粒增强铝基复合材料由于各向同性好,增强体颗粒来源广泛而低廉,制备工艺、成形和加工多样等特点而受到材料研究者的关注。  本文以TiB2/A356复合材料某薄壁筒体零件的熔模铸造工艺为研究对象,针对零件试验生产中出现的缩孔缩松等缺陷,使用铸造CAE软件Pro CAST对零件铸造成形中的流场和温度场进行模拟分析。通过模拟仿真,预测缺陷产生的位置和形成机理,确定并改进初始浇注系统。通过多次模拟仿真,确定最佳工艺参数,从而消除缺陷满足质量要求。  首先,根据熔模铸造成形工艺特点,建立TiB2/A356某薄壁筒体零件熔模铸造工艺的数值模拟过程,根据所研究零件的结构特点设计了两种初始浇注系统:底注式和顶注式浇注系统。在Pro CAST材料数据库中建立体积分数Vp为10%的TiB2/A356热物性参数,结合铸造厂方提供的初始工艺参数,使用Pro CAS T分别对两种浇注系统铸造成形过程进行初始模拟仿真。模拟结果显示,在两种浇注系统中零件壁厚不均匀处都产生热节现象,容易引起缩孔缩松缺陷,根据所产生缺陷的体积分数,确定底注式浇注系统为最终浇注方案。对影响零件质量的主要工艺参数材料浇注温度、浇注时间和型壳预热温度进行正交模拟仿真,确定最佳工艺参数为:材料浇注温度720℃,浇注时间15s,型壳预热温度400℃。  其次,根据零件的质量要求和基本的熔模铸造生产技术,设计零件铸型的制备工艺,选择用于制备蜡模与型壳的材料,确定蜡模与型壳制备的工艺过程和参数。实验生产结果表明,所制备蜡模和型壳的尺寸精度高,表面质量好,结构强度等性能满足技术参数的要求。  最后,根据材料性能要求,采用混合盐反应法制备体积分数 Vp为10%的TiB2/A356复合材料,使用模拟优化后的工艺参数进行浇注实验,并对实验制得薄壁筒体零件进行热裂缺陷检测和材料微观组织电镜实验。浇注实验结果显示,零件表面质量良好,壁厚不均匀处的缩松得到消除,验证了熔模铸造数值模拟技术的可行性。热裂缺陷检测结果表明,所制得的零件不存在热裂缺陷。电镜实验结果表明,TiB2颗粒在基体中分布较为均匀,大部分颗粒尺寸在10μm以下,颗粒呈棱柱状,材料中无显著缺陷。  以上研究结果表明,基于Pro CAST的熔模铸造CAE技术可以有效预测缺陷产生的位置和原因,为实际生产工艺参数的优化提供参考,同时也为TiB2/A356薄壁筒体零件的熔模铸造生产提供一定理论指导。
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