孫德智，王桂青, 田長文

(1.山東建筑大學(xué)材料學(xué)院，山東 濟南 250101；2.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)，山東省科學(xué)院新材料研究所，山東 濟南 250014)

葉輪作為動力機械的主要部件，起著能量轉(zhuǎn)換的重要作用[1]。因為葉輪本身具有壁薄、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密度高、內(nèi)部質(zhì)量要求高等特點，鑄造難度相當大。而鋁合金鑄件在實際生產(chǎn)中，會有多種鑄造缺陷，如鑄造裂紋、花邊狀組織、晶粒粗大、縮孔、澆不足、氧化夾渣與氣孔等[2]。由于長時間工作在高速運動的環(huán)境下，鋁合金葉輪除需要考慮動平衡、凈平衡等參數(shù)以外，使用條件對鑄件葉輪內(nèi)部質(zhì)量要求也十分嚴格，不允許有鑄件缺陷產(chǎn)生，以免影響葉輪的工作性能[3-4]。

為有效提高設(shè)計效率、縮短設(shè)計周期，在保證鑄件結(jié)構(gòu)強度、性能及壽命要求的前提下，圍繞提高工藝的合理性和準確性、降低試制成本并設(shè)計出合理的鑄造工藝方案[5]，已進行了大量研究。近年來，葉輪鑄造相關(guān)研究主要是對熔模鑄造、3D打印、攪動細晶鑄造等進行數(shù)值模擬分析。Hazra等研究發(fā)現(xiàn)，由于鑄造產(chǎn)生的枝晶Cu-Al相和高孔隙率缺陷是使得葉輪腐蝕失效的主要原因，通過進行有限元模擬可以減少缺陷產(chǎn)生[6]；胡聘聘等[7]對比研究了高溫合金鑄型攪動細晶鑄造和普通鑄造葉輪的力學(xué)性能，結(jié)果表明，在800 ℃以下鑄型攪動細晶鑄造的鑄件拉伸強度明顯提升；姜耀林等[8]提出了一種基于3D打印的快速精密鑄造工藝，生產(chǎn)產(chǎn)品優(yōu)異；趙健等[9]使用ProCast對葉輪進行模擬及實際生產(chǎn)分析，認為適當澆注溫度及澆注速度利于鑄件充填，但無法避免縮孔、縮松的產(chǎn)生；何波等[10]在熔模鑄造過程中，模擬探究了葉輪缺陷產(chǎn)生的主要因素，通過正交試驗方法得到最佳生產(chǎn)工藝。采用數(shù)值模擬方法實現(xiàn)葉輪鑄造工藝的研究已成為主流，但是，目前鋁合金葉輪在砂型鑄造方面采用數(shù)值模擬分析的相關(guān)文獻幾乎沒有。

MAGMASOFT鑄造模擬軟件采用有限差分法求解矩形網(wǎng)格上的傳熱問題，能提供鑄件相關(guān)特性的精確數(shù)據(jù)，如充型、凝固、卷氣分布、速度場分布、流道和澆口速率等[11]。目前，應(yīng)用該軟件的相關(guān)研究并不多見。本文結(jié)合MAGMASOFT鑄造模擬軟件對鑄件進行工藝優(yōu)化分析，探究了鑄件缺陷的主要原因，以生產(chǎn)符合要求的優(yōu)質(zhì)鑄件。

1 葉輪結(jié)構(gòu)分析

本文所研究的鋁合金葉輪為薄壁零件，其結(jié)構(gòu)見圖1，材料采用ZL114A鋁合金。葉輪重量49 kg，最大直徑920 mm，16片葉片圍繞中間輪轂于上輪蓋與下輪盤之間均勻分布，葉輪葉片呈變截面扭曲形狀，壁厚僅6 mm。葉輪整體要求無裂紋、冷隔及澆不足等穿透類缺陷，縮松、夾渣及針孔缺陷不得超過4級。本葉輪葉片的結(jié)構(gòu)特點，給制模和造型都造成了很大困難，是葉輪中很難鑄造的一種，袁紅利等[12]介紹了用手工砂型鑄造生產(chǎn)該鑄件的方法，型砂采用樹脂砂。

圖1 葉輪實體模型Fig.1 Impeller solid model

2 工藝方案

葉輪結(jié)構(gòu)分析表明，澆注工藝方案應(yīng)保證葉輪葉片位置金屬液流充型平穩(wěn)，以保證葉片質(zhì)量。根據(jù)葉輪的結(jié)構(gòu)特點，在生產(chǎn)過程中葉片與上蓋板及輪盤與輪轂接觸的急劇變化的地方容易產(chǎn)生熱節(jié)，造成縮孔、縮松缺陷，因此補縮主要針對此兩處位置。

如圖2所示，初步采用兩種澆注工藝方案。方案一為自下而上的充型方式，使金屬液不易飛濺和氧化，設(shè)置環(huán)形橫澆道與8個內(nèi)澆口，內(nèi)澆口旋向與葉片一致，使得8股液流交匯時液流方向與葉片旋向一致，充型穩(wěn)定，減少金屬液對型腔的沖蝕，順序凝固減少缺陷產(chǎn)生可能性，提高鑄件質(zhì)量。方案二為頂注式，金屬液于中間輪轂處注入，輪轂對液流的緩沖作用，使充型趨于平穩(wěn)，同時輪轂處加工余量的設(shè)置又保證了其質(zhì)量。

圖2 鑄造工藝方案Fig.2 Casting process

3 鑄造過程模擬及結(jié)果分析

鑄件采用普通砂型鑄造，金屬液的澆注溫度為700 ℃，樹脂砂始溫度為25 ℃，澆注時間11.08 s。

3.1 充型過程分析

通過MAGMASOFT中MateriaTrace對不同時刻充型過程進行分析。方案一的充型過程如圖3所示，當t=3 s時，4個內(nèi)澆口的金屬液分別匯集，液流順時針充型；當t=6.1 s時，金屬液充滿葉輪型腔底部，并開始由下往上對葉輪葉片平穩(wěn)充型，直到充型結(jié)束。結(jié)合圖4，根據(jù)充型過程中AirEntrapment卷氣位置結(jié)果分析，當t=5 s時，順時針旋轉(zhuǎn)渦流邊緣有少量卷氣現(xiàn)象產(chǎn)生，隨著充型的進行，卷氣傾向是逐漸減小的；t=11 s時，卷氣位置基本消失?？傮w來說，金屬液于型腔底部相遇，并未產(chǎn)生飛濺、卷氣等現(xiàn)象，充型平穩(wěn)，可以看出澆注系統(tǒng)的設(shè)計是比較合理的。方案二充型過程如圖5所示，金屬流在沖滿輪轂后由大平面通過葉片向下充型，但充型過程并不均勻，如圖4a所示；充型過程到t=10.5 s時，葉片下部及葉輪上蓋板邊緣出現(xiàn)卷氣現(xiàn)象，如圖4b所示。

圖3 方案一充型過程Fig.3 The filling process of program I

圖4 卷氣位置Fig.4 Air entrapment

圖5 方案二充型過程Fig.5 The filling process of programⅡ

3.2 缺陷位置分析

為了進一步分析澆注系統(tǒng)合理性以及確定補縮方案，我們需要對鑄件在凝固過程中產(chǎn)生的縮孔、縮松缺陷進行分析，如圖6所示。分析結(jié)果表明，方案一(圖6a)鑄件于葉輪口環(huán)及輪轂頂部產(chǎn)生缺陷，主要原因是補縮不夠，解決方案為對葉輪口環(huán)及輪轂處設(shè)置冒口進行補縮。方案二(圖6b)缺陷主要產(chǎn)生在葉片產(chǎn)生卷氣位置和葉片與上蓋板接觸的熱節(jié)部位。

圖6 兩種方案缺陷分布Fig.6 Casting defect distribution

3.3 冒口補縮

通過上述分析，澆注方案一明顯更加合理，我們選擇此方案進行優(yōu)化設(shè)計。

通過對方案一設(shè)置冒口，補縮后鑄件缺陷分布如圖7所示，口環(huán)及輪轂處的缺陷得以改善，但是仍舊不容樂觀。分析圖8所示不同凝固百分比的溫度場分布，可以得出雖然冒口起到一定補縮作用，但是冒口在凝固過程中冷卻過快，阻塞補縮通道，補縮效果不顯著，因而出現(xiàn)圖6所示缺陷。

圖7 補縮后缺陷位置分布Fig.7 Defect distribution after feeding

圖8 溫度場分布Fig.8 Evolution of temperature field

4 工藝方案改進

考慮到產(chǎn)生缺陷主要原因是口環(huán)處冒口設(shè)計不合理，對鑄件補縮不夠。改進措施為在口環(huán)處冒口加設(shè)保溫套，用以延緩冒口內(nèi)金屬液的凝固，增加冒口的補縮作用。

4.1 凝固過程溫度場分布

通過對改進后的溫度場分析可以發(fā)現(xiàn)，隨著凝固過程的進行，鑄件先于最薄的葉片處開始凝固，最后在冒口處結(jié)束，滿足順序凝固原則。冒口金屬液的凝固由于保溫套的增加而得以延遲，在凝固過程中彌補了口環(huán)處補償不足的問題。圖9為改進后凝固過程中不同凝固百分比的溫度場分布。

圖9 凝固過程溫度場分布Fig.9 Temperature field of solidification process

4.2 改進后缺陷分布

缺陷預(yù)測結(jié)果如圖10所示?？梢钥闯鲈谠黾颖靥缀罂诃h(huán)處的缺陷明顯減少，鑄件內(nèi)部無明顯縮孔、縮松，說明此工藝方案可行。

圖10 改進后缺陷分布Fig.10 Defect distribution after improvement

5 結(jié)論

(1) 設(shè)計了一種大型鋁合金葉輪砂型鑄造工藝，模擬分析結(jié)果顯示，設(shè)計的底注式多個螺旋式內(nèi)澆口，可以保證金屬液的平穩(wěn)充型，及充型后鑄件形狀的完整性。

(2)根據(jù)凝固過程模擬分析結(jié)果，找到了鑄件產(chǎn)生收縮缺陷的部位。根據(jù)模擬結(jié)果驗證，合理設(shè)計冒口并配合保溫套可顯著消除縮孔、縮松缺陷。

(3)澆注結(jié)果表明，本文優(yōu)化設(shè)計的鑄造工藝方案可以得到?jīng)]有缺陷的優(yōu)質(zhì)鑄件。