[發明專利]一種定向凝固過程鑄件雀斑缺陷數值預測方法

有效

• 申請號: 201810759124.6
• 申請日: 2018-07-11
• 公開（公告）號: CN108897967B
• 公開（公告）日: 2022-05-20
• 發明（設計）人: 劉東戎;趙紅晨;任瑩;朱泓宇;郭二軍
• 申請（專利權）人: 哈爾濱理工大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06Q10/04
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 岳泉清

一種定向凝固過程鑄件雀斑缺陷數值預測方法，本發明涉及定向凝固過程鑄件雀斑缺陷數值預測方法。本發明的目的是為了解決現有實驗手段研究雀斑缺陷極易造成資源浪費問題，雀斑數值預測不考慮模殼初始溫度分布狀態、加熱爐對模殼的加熱、模殼在加熱爐中非中心位置放置的問題，以及蒙特卡洛射線法計算換熱角系數計算量大的問題。過程為：一、對鑄造系統進行網格剖分；二、基于步驟一計算輻射換熱角系數；三、獲得模殼溫度場文件shelltem.dat；四、記錄每個char＝0的網格所對應的平均成分值、固相分數和溫度，記錄每個char＝2的模殼網格和每個char＝4的冷鐵網格的溫度。本發明用于鑄件雀斑缺陷數值預測領域。

技術領域

本發明涉及定向凝固過程鑄件雀斑缺陷數值預測方法。

背景技術

定向凝固是生產葉片和單晶鑄件過程中所使用的一種重要凝固技術。定向凝固的目的是獲得沒有晶界的單晶或晶界相互平行的柱狀晶，當鑄件受力方向與晶界平行時，這樣所得晶粒組織有助于提高鑄件的蠕變性能。因此定向凝固技術用于生產葉片或單晶鑄件時是不允許形成結晶取向隨機的等軸晶組織。然而在定向凝固過程中，合金，尤其是高溫合金，極易形成一種嚴重的鑄造缺陷——雀斑。形狀為細長手指狀的溶質富集區稱為雀斑缺陷，該溶質富集區內的組織由多個細小且生長取向隨機的等軸晶組成。雀斑的生長方向通常與重力方向平行或存在微小夾角，產生于鑄件最外表面或尺寸厚大區域。凝固過程中合金元素的溶質再分配是雀斑產生根本原因，而重力場下合金液中形成的熱溶質對流是雀斑形成的必要因素。富集溶質的金屬液與無溶質富集的金屬液密度不同，在鑄件中溶質富集金屬液處于無溶質富集金屬液的下方，當金屬液由于溶質富集而密度降低，相對于其上方密度較大的液體，其要向上運動，在重力作用下上方液體要向下運動，因此形成了自然對流。富集溶質的液體向上運動過程中，其所到之處的液體液相線溫度被降低，不易形成固相，這就為進一步的液體流動提供了一個通道，最終在鑄件上形成了一個細長通道狀的溶質富集區。雀斑缺陷的形成將改變鑄件的力學性能，導致鑄件報廢。

因為合金的凝固為不可視過程，因此采用實驗手段研究雀斑缺陷形成具有一定盲目性，無法更清晰的分析不同工藝影響雀斑缺陷形成規律，極易造成資源浪費。數值預測是研究雀斑形成過程、分析形成機理、研究工藝參數影響的有效手段。目前雀斑數值預測方面存在的問題是不考慮模殼初始溫度分布狀態、不考慮加熱爐對模殼的加熱以及模殼在加熱爐中非中心位置放置對溫度場計算的影響，實際生產中一爐多件，因此模殼在加熱爐中非中心位置放置非常常見。計算模殼加熱過程，獲得模殼初始溫度場分布，對后續定向凝固過程溫度場計算具有重要影響，尤其是模殼在加熱爐中不處于中心位置。相比于賦予模殼不同位置同一個初始溫度，計算模殼加熱過程所獲得的溫度場更符合生產實際。目前通常采用蒙特卡洛射線法計算模殼和加熱爐內壁之間的輻射換熱角系數，該方法計算量大。

發明內容

本發明的目的是為了解決現有實驗手段研究雀斑缺陷形成具有一定盲目性，無法更清晰的分析不同工藝影響雀斑缺陷形成規律，極易造成資源浪費問題，雀斑數值預測不考慮模殼初始溫度分布狀態、不考慮加熱爐對模殼的加熱、不考慮模殼在加熱爐中非中心位置放置對溫度場計算的影響的問題，以及蒙特卡洛射線法計算模殼和加熱爐內壁之間的輻射換熱角系數計算量大的問題，而提出一種定向凝固過程鑄件雀斑缺陷數值預測的方法。

一種定向凝固過程鑄件雀斑缺陷數值預測方法具體過程為：

步驟一、對鑄造系統進行網格剖分，X軸方向、Y軸方向和Z軸方向采用相同的網格剖分步長，即△x＝△y＝△z米，網格的標號為(i,j,k)_char；

下角標char＝2表示模殼網格，下角標char＝0表示鑄件網格，下角標char＝7表示加熱爐中的氣體網格，下角標char＝15表示加熱爐的內壁網格，下角標char＝4表示冷鐵網格；

步驟二、基于步驟一計算輻射換熱角系數；

步驟二(一)、輻射換熱發生在模殼最外層網格與加熱爐內壁網格之間；

步驟二(二)、確定模殼最外層網格；