Ti-15-3合金熔体离心浇注过程中流速分析.docx

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景杰苏彦庆丁宏升哈尔滨工业大学贾均*一L/『试骏研究特种铸造及有包合金1999年第3期TM5-3合金熔体离心浇注过程中流速分析摘要分析了金属型离心浇注Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al（Ti-15-3）台金铸件过程中型胺内的流速分布•得出了离心盈壹’程中充型速度V和时间［与充型长度m以及转台的最大转动角速度册"与型腔直径D和长度L之间的关系,计算结果表明，离心浇注过程中.合金成的充型速度和时间是充型长度的函数•均随充型长度的增大而增大，转台的最大允许旋转角速度随型腔长度和直径的增大而减小。实验结果表明•当转台转速％为280r/mm时，铸件内出现了气孔■从而验证了理论计算结果a关键词：金属型Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al合金流速分布离心浇注林’信&AnalysisofFlowSpeedforTi-15-3AlloyMelt DuringCentrifugalPouringProcess JiaJunShengWenbinGuoJingjieSuYanqingDingHongsheng(HarbinInstituteofTechnologh)ABSTRACTTheflowspeeddistributionofTi-15V-3Cr-3Sn-3Al(Ti-15-3〉alloymeltpouredinpermanentmoulddruingcentrifugalcastingprocesshasbeenanalyzed.Therelationbetweenthefillingspeed♦timeandthefillinglength,aswellasthemaximumcriticalangularvelocityandthemoulddiameterD,thelengthLareconcluded.Calculationresultsshowthatthefillingspeedandthefillingtimearethefunctionofthefillinglengthduringcentrifugalcastingprocess.andincreasewiththeincreaseofthefillinglength.Themaximumcriticalangularvelocitydecreasewiththeincreaseofthecavitylengthanddiameter.Experimentalresultsshowthatgasholeshavebeenformedwhenangularvelocityisequalto280r/min.Furthermore^calculationresultsareverified,KeyWords:PermanentMold♦Ti-15V-3Cr-3Sn-3AIAlloy♦FlowSpeedDistributionCentrifugalPouring 0引言钛基合金由于具有较高的比强度和比模量，而且具有良好的抗蠕变、抗氧化和抗氢脆能力n~5］.是一种很具有潜力的轻型高温结构材料•从80年代以来,受到了人们的普遍关注，国际上出现该类合金研究和开发的热潮,其特征是作为结构材料的金属间化合物的迅速崛起和作为功能材料的金属间化合物的广泛应用。Ti-15-3属于新型亚稳P钛合金,除具有同类合金的高强度深淬透性等特点之外,且以优越的冷态工艺塑性而著称°此种合金除了具有优良的冷变形能力而作为锻材使用之外，还具有优异的铸造性能•其铸件经固溶时效处理和热等静压处理后能够得到与锻件差不多的性能水平。因此，自从这种合金产生以来,其精密铸造成型也是人们研究的重点，特别是近几年来在钛合金向经济型和工艺简单型发展趋势的推动下、其精密铸造成形受到人们的极大重视⑸。美国的Westland直升机公司正研究P型钛合金的两方面应用.其中之一就是Ti-15-3铸件在结构连接件上的应用oBoeing公司也在不断开发在波音系列飞机上的应用「"］。从Ti-15-3合金的成形方面来看，国外研究者作了一些尝试。在国内.哈尔滨工业大学邛⑴，中南工业大学粉末冶金研究所KE.有色金属研究院、航空材料研究所等单位作了大量工作。Ti-15-3合金浇注过程中,由于离心转速选择不当.可能使合金液在充型过程中形成紊流•卷入环境中的气体。由于合金凝固区间较窄,且金属型的导热能力强.被卷入气体无法及时从型腔内排除,最终在铸件内部形成体积较大的卷入性气孔•严重影响铸件的力学性能°本文利用型水冷铜坊堪真空感应炉■针对金属型离心铸造，对其充形过程中的流速分布进行了分析.以判断形成卷入性气孔的可行性。1过程分析采用感应凝壳熔炼（ISM）方法,在金属型中离心浇注了Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al合金排气阀铸件，浇注过程中的真空度为1，08贾均，男，1934年出生.教授.哈尔滨工业大学434信箱H50。。】）收稿日期；1998—12—为I。—’MPa.离心浇注过程中，转台沿中心轴以角速度/进行旋转。简化排气阀形状为圆柱体,长度和直径分别为£和。，铸件采用水平侧注方式•如图1所示。进而得到任意时刻的填充速度:(1)（3）max v0+SL注注系统示意国Fig.ISchematicdiagramofgatingsystem浇注过程中.由于旬垠在倾注时具有旋转角速度/.而使合金液具有一定的初速度廿。旋转角度大约为90。,即旬堪由竖直方向转变为水平方向•因此•可将廿看作竖直方向，且v=^R.其中R为旋转半径。合金液从高为H的地方落下,在重力的作用下具有速度xA可根据能量守恒求得寸=顽？。进入型腔之前，合金液就具有竖直方向的速度如疗=丁+寸。当熔体进入型腔时•速度将由原来的竖直方向转变为水平速度V。。此时应具有一定的动量损失•且满足关系式V°=斓澹V1L合金液即以初速度而填充铸型型腔。根据实际情况，计算得禺约为0.7ni/sc假设合金液以理想方式进行填充,不考虑铸型内腔的阻力作用•则填充过程中的速度V满足如下关系式;V=vo+a/q实际填充过程中.加速度口为变量,距中心轴线为z处的加速度值为】=可知。与z之间满足线性关系•故取&=备2.于是V=^0+yCcFj-to填充过程中，末端质点距中心轴线距离较远•由于离心力的作用,将以较大的加速度进行填充c合金液的初速度相同，使得后面的质点与其前面的存在一个速度差，也就是说两质点之间不存在压力作用•这使得彼此之间互不干扰。取合金液末端速度的一半作为该时刻填充过程的平均速度汉则填充时间可表示为t=-=__v2禹+ojgr对其进行求解，可得到该时刻所需的填充时间为：—如++iuTT v„+V^z+4orjr2 V=2⑵合金液到达型腔末端时•上=乙代=知瓦，合金液的填充速度达到最大值Ve，此时实现完全填充，则叫++4廿Z对于Ti-15-3合金.其凝固区间较窄（40C左右人又由于金属型的导然能力较强,使得合金的凝固速度非常快。这样，若在充型过程中卷入气体，将无法及时从排气孔或浇口内排出，最终在铸件内形成分散性气孔或体积较大的汇聚型气孔。从实际浇注得到排气阀的分析可以知道，阀体出现因铸型导热快而浇不足的情况并不多，主要问题是铸件内部出现的气孔。所以浇注过程中，应尽量保持合金液平稳充型，即始终保持层流状态。因为使合金中卷入气体，在铸件内形成气孔的主要原因是强烈的紊流造成的。根据合金产生紊流的条件，在充型过程中.合金的雷诺数应应满足Re<2300。层流临界值并非定值•它会因外部因素（如型腔内表面粗糙度和流体中的起始扰动程度等）不同而改变。一般来说，雷诺数在10000-13000时•流动形态转变为稳定的紊流。在这个区域内为过渡区域.是一个不稳定的区域。ISM熔炼过程中合金的流动很难控制，主要表现为以下几个方面：合金浇注速度快,填充过程中的初速度较大;外界的影响因素较多；合金的熔炼、浇注均在真空室内完成•无法观察其具体流态。所以，准确地描述合金液填充过程中的具体流态是十分困难的。对于排气阀的实际填充过程.先充型的合金液在离心力的作用下.其速度要高于其后面的流体，可能出现一种层流、紊流同时存在的状态。这种状态在理论分析上是极可能存在的，这主要是建立在假设填充过程中合金液始终为液态。实际填充过程中.如上面所提到的，由于合金具有较窄的凝固区间以及金属型的强导热能力，先充型的合金液会以较快的速度先摄固，所以上述层流与紊流并存的可能性并不大。对于实际填充过程.应尽量保证型腔内的合金液为层流。考虑到实际填充过程中合金的凝固与充型过程可能同时进行•而雷诺数的定义是建立在纯液态合金填充过程基础之上如根据雷诺数的定义，合金在填充过程中应满足润日=弩<2300.其中q为合金熔体的动力粘度。ISM熔炼过程中，温度的变化对于合金焰体粘度的影响较大•随着温度的升高,合金的粘度值降低,紊流倾向增大。根据层流定义.云为合金液末端速度的一半，即成=将式⑷代入到上式中，可得“30•丁2、116、10勺2—4.6、"RpD的W疝瓦(5)式中殊一旋转角速度,r/min心=乎0>处一-水平初速度・m/sp—合金熔体的密度,kg/m‘Z>一型腔直径.m『一合金的动力粘度・Pa・s式(5)即为TiAl合金金属型离心铸造过程中,为保证型腔内金属液呈层流状态而应满足的关系。上式所表示的情形是•合金液在恰好充满时•层流和紊流的分界层仍未出现。对于临界情况,合金液到达型腔末端时的充型速度，恰好为满足层流流动的最大临界速度。此时.旋转角速度饥与型腔直径Q、长度£之间应满足下式:30”2.11GV10敏一4.6、10~。彳，.、』=祠Z⑹可以看出•随着型腔长度的增加，所允许的最大旋转角度斜响减小,这是因为型腔越长,以相同的角速度旋转时.合金液到达型腔末端时的速度越大.越容易出现紊流。要保证合金的层流状态•就必须减小转台的旋转速度。斜3与型腔直径。并不符合简单的函数关系。2结果与讨论铸件易产生的缺陷•与合金的特性是紧密相关的。由于Ti-15-3合金凝固区间窄•金属型导热能力强,容易在浇注过程中出现浇不足的现象。合金的充型能力可以通过提高浇注温度来得以提高.从而避免了浇不足的现象J旦随着浇注温度的提高,合金的粘度有所下降，易在充型过程中形成紊流，导致气体的卷入，进而形成气孔。我们在研究中发现•浇注排气阀过程中，主要缺陷是气孔,如图2所示,转台速度饥=280r/min时出现在排气阀内部的气孔《头部的气孔直径可达6〜7mm,存在于杆部的气孔直径也可达4〜5mm。由干气孔较圆,内表面光滑,判断为卷入性气孔。当铸型型腔尺寸确定时，合金液末端在填充过程中任一时刻的速度值V及所需的时间$均为充型长度工的函数•而与型腔的直径D无关。同时•转台的旋转角速度不同,充型速度和时间也是不同的。图3所示为初速度为。时，不同旋转速度情况下，填充速度与充型长度之间的关系曲线。可见,填充速度V与充型长度工之间是符合线性关系的。充型长度相同时,随着旋转速度的提高填充速度逐渐增大。ffl2排气阀内邙的％孔Fig.2Gasholesintheexhaustvalve ffl3血=U时，境充速史U与充型长史工的关未Fig・3RelationbetweenfillingspeedVandLengthxwhenvc-0图4a和图4b所示分别为化=0.7m/s・型腔长度3 4无型逑度和时间与充型长史关系Fig,4Relationbetweenthefillingspeed♦timeandthefillinglength为20cm时，三种不同转台旋转角速度情况下.合金液线。从图4a可以看出，合金液末端的速度值随填充长度末端速度U和充型时间r与充型长度I之间的关系曲m的增加，从初速度开始逐渐增大,且不符合线性规律。速度的增加量随型腔长度的增大而增大。充型长度相同时.随着转台旋转角速度的提高，合金的速度值也增大，由计算结果可知，对于长度为20cm的型腔，转台的旋转角速度为300r/min时.合金充满时的速度大约可达6>7m/sv由图4b可知,填充时间随充型长度的增大也是呈递增趋势.同样不遵循线性规律。但是，充型时间增加量随充型长度的增大而减小。随着转台旋转角速度的提高，充型时间逐惭减小。对于长为20cm的型腔■转台的旋转角速度为300r/mm时，充满时间大约为0、16%紊流的形成是合金充型初速度与由离心力而产生的速度增量综合作用的结果。ISM熔炼过程中，合金液的初速度是由设备自身的结构决定的，可视为常量。所以，转台的旋转角速度是合金形成紊流的决定性因素。此外，型腔尺寸不同，所允许的转台最大旋转角速度是不同的‘图5a和图5b所示为初速度vc=0和为=0、7m/s,型腔直径分别为2mm,5mm+l(Jmm和15mm时•转台最大允许角速度钏咛与型腔长度之间的关系曲线。由图5a可以看出，当初速度为。时.对于确定直径的型腔，转台的最大允许角速度雄四随着型腔长度的增加而减小,其减小趋势符合反比例规律’型腔长度一定时.随着型腔直径的增大，最大允许角速度g也减小.对于初速度不为0的情况，同样也符合上述规律，但比较图5a和图5b可以知道•随着合金液填充初速度值的提高，转台的最大允许角速度气叩是有所减小的。a5与型控长度L之间苗关系Fig、5Relationsbetween^Jmn3lanclmoldcavityLengthL通过上述的分析可知，离心浇注过程中，对于不同尺寸的铸件.应选取合理的转台转速.这样，可以避免合金液形成紊流，进而防止卷入性气孔的产生。此外，上述分析对于合理地制定铸造工艺也是很有帮助的。3姑论(1)Ti-15-3合金离心铸造过程中，充型速度和充型时间均随充型长度的增大而增大；充型时速度的增加量随充型长度的增大而增大，充型时间的增加量随充型长度的增大而减小〉⑵为防止出现紊流,转台的旋转角速度与型腔尺寸、合金粘度及初速度等因素之间应满足如下关系式:,30V27116X107?2-4>6X纯<应瓦0(3)转台的最大允许角速度随型腔直径和长度的增大而减小，且符合反比例规律，随着合金液充型初速度的提高，转台的最大允许角速度减小。(4)实验结明表明，对于排气阀铸件,当转台角速度大于280r/min时•出现气孔"参考文献DimidukDM.MiracleDB,WardCH、DevelopmentofIntermetalLitMaceriaLbforAerospaceSystems-MaterialsScienceandTechnology^1992,8(3),367〜375FroseFH.StructureIntermetallics^JOM-1989(9J>6〜7 2 LiuCT4InouygeH、ControlofOrderedStructureandDuctilityoflFe.Co.Ni)3Alloys、MetaLTrans.A»1979,10A(10)51515-1525KimYW,IntermetallicAlloysBasedonGammaTitaniumALu-minides^JOM.1989.41(7J*24~3DParameswaranVR,High-TemperatureAluminidesandInter-metallics»JOM.1992.44(6J：41~43FroesFH•SuryanarayanaCiEliezerD.Synthesis,propertiesandapplicationsoftitaniumaluminides^JouraLofMaterialsScience,1992<27&5113-5140 3 JonesPE,PorterWJ•EyLonD,el,DevelopmentofaLowCostPermanentMoldCastingProcessforTiAlAutoniotiveValves.GammaTitaniumALuminides-1995・53〜628盛文斌，郭景杰.苏彦庆等.浇铸时功率USM)对TiAl基合金铸件表面质量的影响.特种傅旌及有色合金,】998〔6>两〜79郭景杰.盛文斌.TiAl基合金离心铸造过程中合金液溢出临界值分析，中国有色金属学报I英文版M999,310贺跃辉，黄伯云、Sb对改善T1A1基合金高温抗氧化性的影响.材料科学与工艺，1995,51)：10〜13 I】曲选辉，黄伯云，吕海波等・TiAL有序合金研究综述.稀有金属材料与工程・199I,2U《4)；3〜14KimYW»TrendsintheDevelopmentofGammaTiAlAlloysinGammaTitaniumAluminides.Ed«.byKimYW・WagnerRandYa-maguichM»1995,637〜654SusanE-Hartfield-Wunschetc.TitaniumAluminideAutomotiveEngineValves.GammaTitaniumAlummideds.1995.4I~52AustinCM,KellyTJ.ProgressinImpknieotationofCastGammaTitaniumAluminde.GammaTitaniumAluminides,1995、21〜32(编辑：陈渭臣)。