鄭行，郝新，閆彬，劉國(guó)懷，王曄，郭釗，王昭東

熔模精鑄型殼預(yù)熱轉(zhuǎn)移過程溫度場(chǎng)及換熱規(guī)律研究

鄭行1，郝新1，閆彬1，劉國(guó)懷2，王曄3，郭釗1，王昭東2

（1. 中國(guó)航發(fā)南方工業(yè)有限公司，湖南 株洲 412002；2. 東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110819；3. 哈爾濱理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150008）

為了獲得不同工藝條件對(duì)高溫合金熔模鑄造型殼在預(yù)熱及轉(zhuǎn)移過程中溫度分布的影響規(guī)律。根據(jù)實(shí)際工況設(shè)計(jì)了測(cè)溫實(shí)驗(yàn)方案，采用熱電偶測(cè)溫的方法研究型殼在無(wú)保溫措施、外加保溫棉、填砂以及保溫棉復(fù)合填砂4種工藝條件下對(duì)型殼在預(yù)熱及轉(zhuǎn)移過程中溫度分布的影響。獲得了型殼升溫、保溫和轉(zhuǎn)移過程中的溫度場(chǎng)變化曲線，并根據(jù)實(shí)際測(cè)溫曲線采用ProCAST的反算模塊對(duì)關(guān)鍵位置的界面換熱系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。型殼外加保溫材料后導(dǎo)致升溫時(shí)間范圍從原本的1.5 h升高到2.5～5.6 h，同時(shí)冷卻時(shí)間也隨之增加。在轉(zhuǎn)移過程中，外部材料的換熱方式均從自然對(duì)流轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)制對(duì)流，換熱強(qiáng)度增大，靜置于鑄型室后，換熱方式恢復(fù)至穩(wěn)定的自然對(duì)流方式，界面換熱系數(shù)趨于穩(wěn)定，且冷卻曲線呈線性降低。

熔模精鑄；高溫合金；型殼預(yù)熱；界面換熱系數(shù)；溫度測(cè)量

高溫合金鑄件在熔模鑄造過程中常出現(xiàn)的縮松和縮孔等缺陷會(huì)嚴(yán)重?fù)p害鑄件的質(zhì)量和合格率，而通過實(shí)驗(yàn)試制的方法予以消除則又會(huì)造成極大的資源浪費(fèi)，因此，通過數(shù)值模擬方法精確再現(xiàn)熔模精鑄的凝固過程，對(duì)縮松和縮孔等缺陷的預(yù)測(cè)顯得極為重要。根據(jù)ProCAST軟件提供的鑄件縮松和縮孔缺陷分析模塊以及相應(yīng)的判據(jù)，就可以準(zhǔn)確地判斷鑄件中產(chǎn)生液相孤立區(qū)的位置和大小，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果預(yù)測(cè)出高溫合金各類航空零件熔模精鑄過程中形成的縮松和縮孔缺陷[1-4]。此外熔模精鑄過程中型殼的預(yù)熱溫度以及澆注時(shí)的溫度分布不僅對(duì)高溫合金熔體的充型、凝固初期的溫度分布極為重要，對(duì)終成零件的質(zhì)量控制也非常關(guān)鍵[5-9]，然而，由于型殼在澆注之前需要從焙燒爐轉(zhuǎn)運(yùn)至鑄型室中并進(jìn)行抽真空處理，該過程中型殼的溫度變化往往是未知的，這導(dǎo)致澆注工藝參數(shù)中重要影響因素之一的型殼溫度在設(shè)置時(shí)常常無(wú)據(jù)可循。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，型殼的預(yù)熱溫度和保溫工藝只能憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)；另一方面，通過數(shù)值模擬獲得的熔模精鑄過程中鑄件準(zhǔn)確的缺陷位置和大小，型殼的溫度信息和冷卻規(guī)律也同樣至關(guān)重要，因此需要對(duì)不同保溫工藝條件下型殼在預(yù)熱及轉(zhuǎn)移過程中的溫度分布規(guī)律進(jìn)行實(shí)際測(cè)溫研究。

由于在實(shí)際鑄件的生產(chǎn)過程中，高溫合金必須在真空環(huán)境下進(jìn)行熔煉和澆注，受到設(shè)備限制而難以進(jìn)行冷卻曲線的測(cè)量，一般采取的測(cè)量方式有2種：紅外線測(cè)量方法和熱電偶測(cè)量方法。紅外線測(cè)量作為常用測(cè)溫方法，其優(yōu)點(diǎn)在于可通過不接觸被測(cè)物體進(jìn)行直接測(cè)量，但由于其測(cè)量的溫度僅僅為被測(cè)物的表面溫度，因此測(cè)量誤差比較大；采用熱電偶對(duì)實(shí)際鑄件各個(gè)特征位置進(jìn)行時(shí)間-溫度曲線的測(cè)量，需要將熱電偶從真空室內(nèi)引出室外，這對(duì)設(shè)備密封性能提出了極高的要求，而測(cè)溫?zé)犭娕歼€將隨著鑄件的凝固而殘留在鑄件中，一般會(huì)直接造成鑄件報(bào)廢，造成時(shí)間、人力以及物料的浪費(fèi)[10-12]，但熱電偶測(cè)量獲得的溫度相較于紅外線測(cè)量法更為準(zhǔn)確，因此在研究過程中，文中通過改造真空熔煉爐和設(shè)計(jì)物理模擬鑄件進(jìn)行測(cè)量的方式來替代對(duì)實(shí)際鑄件進(jìn)行的測(cè)量實(shí)驗(yàn)。

通過對(duì)物理模擬鑄件進(jìn)行實(shí)際工況下的測(cè)溫，文中分析研究了型殼在保溫棉、保溫砂以及保溫棉復(fù)合保溫砂等保溫工藝條件下型殼、型腔、保溫材料以及外部材料的溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律，以期對(duì)高溫合金精鑄件的型殼預(yù)熱和保溫工藝提供相應(yīng)的理論支撐。

1 熔模精鑄特征鑄件設(shè)計(jì)及測(cè)溫實(shí)驗(yàn)

1.1 特征鑄件設(shè)計(jì)及其制備

如前所述，直接對(duì)實(shí)際鑄件進(jìn)行測(cè)溫不僅會(huì)導(dǎo)致熱電偶插入位置發(fā)生漏鋼，同時(shí)型腔內(nèi)插入的熱電偶也會(huì)與鑄件焊合并導(dǎo)致鑄件報(bào)廢，因此文中通過設(shè)計(jì)特征鑄件進(jìn)行物理模擬實(shí)驗(yàn)[13]，首先對(duì)大量實(shí)際高溫合金熔模精鑄導(dǎo)向器鑄件的特征結(jié)構(gòu)和常見的幾類缺陷進(jìn)行分析，其結(jié)果表明，導(dǎo)向器的葉片、截面尺寸突變的部位、頂部的冒口形狀以及導(dǎo)向器中存在的孔類結(jié)構(gòu)是影響鑄件成形質(zhì)量的關(guān)鍵，因此在物理模擬鑄件的設(shè)計(jì)過程中，按照比例對(duì)這幾種結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)刻，所設(shè)計(jì)的特征鑄件截面形狀及其尺寸如圖1a所示，特征鑄件的厚度為40 mm。同時(shí)為了保證測(cè)溫時(shí)，型腔內(nèi)的熱電偶與型殼上的熱電偶互不干擾，采用一箱兩件的方案進(jìn)行特征鑄件及其澆注系統(tǒng)的蠟?zāi)Ｄ＝M制備，澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)尺寸與實(shí)際精鑄導(dǎo)向器鑄件的直澆道、橫澆道和內(nèi)澆道完全一致，特征鑄件及其澆注系統(tǒng)的三維數(shù)模、特征鑄件的蠟?zāi)Ｒ约白罱K獲得的型殼分別如圖1b-e所示。

1.2 測(cè)溫實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及測(cè)量過程

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)工藝過程中采用的4種型殼預(yù)熱方案設(shè)置了4組測(cè)溫實(shí)驗(yàn)，分別為：① 型殼空殼預(yù)熱工藝溫度曲線測(cè)定；② 型殼包棉預(yù)熱工藝溫度曲線測(cè)定；③ 型殼填砂預(yù)熱工藝溫度曲線測(cè)定；④ 型殼包棉、填砂造型工藝溫度曲線測(cè)定。根據(jù)設(shè)置的4組實(shí)驗(yàn)，針對(duì)特征鑄件上的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)溫，采用在型殼上鉆取測(cè)溫孔的方式將熱電偶插入預(yù)設(shè)位置，并用細(xì)砂進(jìn)行封填。為了避免測(cè)量偏差并保證所有測(cè)量熱電偶的位置保持一致，鉆孔和熱電偶插入作業(yè)均由同一操作員進(jìn)行，并通過X光檢查熱電偶位置。如前所述，型殼內(nèi)腔與型殼的測(cè)溫分別在對(duì)稱布置的2個(gè)型殼上進(jìn)行，具體的測(cè)溫位置如圖2a所示。型殼內(nèi)腔中的熱電偶位置由圖2a中黑色圓點(diǎn)標(biāo)示位置給出，所有熱電偶均插入內(nèi)腔20 mm的深度，并位于鑄件厚度方向的中線上。型殼上所設(shè)置的熱電偶位置與內(nèi)腔中的熱電偶相對(duì)應(yīng)，具體分布位置如圖2a中的紅色圓點(diǎn)所示，所有的實(shí)驗(yàn)均采用N型熱電偶進(jìn)行測(cè)溫。實(shí)際測(cè)溫過程中型殼上的熱電偶分布位置如圖2b所示。

圖2c和2d則分別給出了型殼包棉以及型殼包棉復(fù)合填砂2組測(cè)溫實(shí)驗(yàn)過程中的預(yù)熱和轉(zhuǎn)移過程，操作過程中焙燒爐和真空爐的擺放位置、預(yù)熱溫度（1500 ℃）、開爐時(shí)間（10 s）、型殼轉(zhuǎn)移時(shí)間（120 s）均嚴(yán)格按照實(shí)際生產(chǎn)過程進(jìn)行。同時(shí)，測(cè)量過程中專門安排一名操作員對(duì)測(cè)溫設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以保證傳輸數(shù)據(jù)的可靠和準(zhǔn)確性。

圖1 特征鑄件的關(guān)鍵尺寸、三維數(shù)模、澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)、蠟?zāi)Ｒ约爸苽涞男蜌?/p>

圖2 測(cè)溫點(diǎn)及熱電偶的位置分布和測(cè)溫過程

1.3 界面換熱系數(shù)反算求解過程

采用商業(yè)化軟件Soildworks和ProCAST分別對(duì)特征鑄件進(jìn)行建模和有限元網(wǎng)格的劃分，利用獲得的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)和ProCAST軟件提供的反算求解模塊，對(duì)特征鑄件關(guān)鍵位置的界面換熱系數(shù)進(jìn)行反算求解計(jì)算。由于在型殼轉(zhuǎn)移和冷卻過程中，界面換熱系數(shù)可以看作時(shí)間的函數(shù)[14-15]，因此反算過程中將時(shí)間作為自變量進(jìn)行界面換熱系數(shù)的求解。

2 結(jié)果與討論

實(shí)際測(cè)溫實(shí)驗(yàn)中熱電偶的測(cè)溫位置如圖3所示，不同工藝條件下測(cè)溫點(diǎn)與測(cè)量通道編號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。實(shí)際測(cè)量獲得的型殼、型殼包棉以及型殼包棉復(fù)合填砂的預(yù)熱、保溫、轉(zhuǎn)移和冷卻過程中各個(gè)關(guān)鍵位置溫度數(shù)據(jù)的測(cè)量結(jié)果分別如圖4a—d所示。顯然在沒有任何保溫措施時(shí)，型殼各個(gè)關(guān)鍵位置在加熱和冷卻過程中的溫度場(chǎng)相差并不大。對(duì)不同工藝條件下的測(cè)溫曲線進(jìn)行觀察時(shí)，還可以發(fā)現(xiàn)與型殼測(cè)溫位置對(duì)應(yīng)的型腔溫度在整個(gè)預(yù)熱升溫與轉(zhuǎn)移冷卻的過程中與該處的型殼溫度相差比較小，根據(jù)這一結(jié)果可以推斷出，在轉(zhuǎn)移的過程中型腔內(nèi)部空氣的流動(dòng)比較平緩，強(qiáng)制對(duì)流的狀態(tài)非常不明顯。

圖3 實(shí)際測(cè)溫實(shí)驗(yàn)中熱電偶的測(cè)溫位置及編號(hào)

表1 4種工藝條件下測(cè)溫點(diǎn)與測(cè)量通道編號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

根據(jù)圖4b給出的型殼包棉焙燒預(yù)熱升溫與轉(zhuǎn)移過程的測(cè)溫結(jié)果可以看出，施加保溫棉措施后，型殼各個(gè)特征位置均處于均勻厚度的保溫棉包裹之下，這導(dǎo)致轉(zhuǎn)移冷卻過程中各關(guān)鍵位置的溫度分布差別不大。同時(shí)受到保溫措施的影響，型殼的升溫和冷卻時(shí)間也明顯長(zhǎng)于第1組的工藝過程，在實(shí)際工藝規(guī)定的2 h保溫時(shí)間內(nèi)未能達(dá)到1050 ℃的預(yù)熱溫度，而冷卻1.5 h之后各測(cè)溫點(diǎn)溫度仍高于400 ℃。同樣的現(xiàn)象在圖4c和4d給出的測(cè)溫曲線中更加明顯，這表明在實(shí)施保溫措施后，型殼預(yù)熱時(shí)間和冷卻時(shí)間均會(huì)增加，且隨著保溫效果的提高，預(yù)熱和冷卻時(shí)間逐漸延長(zhǎng)。最后一組工藝條件下，型殼加熱5.6 h才能達(dá)到設(shè)定預(yù)熱溫度。

隨著保溫效果的提高，型殼在冷卻的初始階段溫度隨時(shí)間的變化逐漸趨于平緩，這表明在型殼從焙燒爐中取出并轉(zhuǎn)移至鑄型室的過程中，雖然外部環(huán)境的變化和型殼的位移使其周邊的空氣對(duì)流狀態(tài)由自然對(duì)流轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)制對(duì)流，但保溫材料能夠很好地將強(qiáng)制對(duì)流的空氣與型殼隔絕，使型殼各關(guān)鍵位置在轉(zhuǎn)移過程中的溫度變化更加平穩(wěn)和緩慢。值得注意的是，在復(fù)合填砂2組工藝條件的冷卻過程中，隨著冷卻時(shí)間的延長(zhǎng)，型殼上各關(guān)鍵位置之間的溫度差值逐漸變大，這是由于型殼各關(guān)鍵位置外部的保溫砂厚度不同。

根據(jù)實(shí)際測(cè)溫結(jié)果和特征鑄件型殼及保溫材料的三維數(shù)模，對(duì)不同工藝條件下型殼以及保溫材料各關(guān)鍵位置處的界面換熱系數(shù)進(jìn)行了反算求解，其中與空氣接觸的界面為對(duì)流換熱系數(shù)，各個(gè)材料互相接觸的界面為傳導(dǎo)換熱系數(shù)。4種工藝條件下反算獲得的各關(guān)鍵位置界面換熱系數(shù)結(jié)果分別如圖5a—d所示。

圖4 不同工藝條件下測(cè)量獲得的溫度-時(shí)間變化曲線

圖5 不同工藝條件下的界面換熱系數(shù)隨時(shí)間變化曲線

界面換熱系數(shù)的反算結(jié)果表明，在型殼及其保溫材料移出焙燒爐進(jìn)行轉(zhuǎn)移的過程中，外部空氣流動(dòng)速率較保溫時(shí)加劇，換熱方式從自然對(duì)流變?yōu)閺?qiáng)制對(duì)流狀態(tài)，因此整體材料的熱量散失加快，導(dǎo)致以熱傳導(dǎo)為基礎(chǔ)的界面換熱系數(shù)也出現(xiàn)了增長(zhǎng)的趨勢(shì)。轉(zhuǎn)運(yùn)結(jié)束并靜置于鑄型室中冷卻時(shí)，空氣流動(dòng)狀態(tài)恢復(fù)至沒有擾動(dòng)的情況，換熱效率下降，各材料之間的溫差逐漸減小，各個(gè)關(guān)鍵位置的界面換熱系數(shù)趨于穩(wěn)定并接近理論值。值得注意的是，型殼和內(nèi)腔的對(duì)流換熱系數(shù)無(wú)論是在轉(zhuǎn)運(yùn)階段，還是在冷卻階段均未發(fā)生改變，始終為常數(shù)（10 W/(m2·K)），這也表明內(nèi)腔空氣的流動(dòng)沒有受到外部環(huán)境變化的影響，并始終保持自然對(duì)流的狀態(tài)。

3 結(jié)論

通過對(duì)設(shè)計(jì)的4組工藝條件下型殼、保溫材料各關(guān)鍵位置溫度曲線進(jìn)行測(cè)量，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行反算獲得的關(guān)鍵位置界面換熱系數(shù)，獲得了如下的結(jié)論。

1）在升溫階段，型殼外加保溫材料會(huì)導(dǎo)致升溫時(shí)間大量延長(zhǎng)，保溫材料越多、保溫效果越好、升溫時(shí)間就越長(zhǎng)，對(duì)于型殼包棉加外置砂箱復(fù)合填砂的工藝而言，若要達(dá)到工藝要求，加熱時(shí)間應(yīng)延長(zhǎng)至6 h以上。

2）在轉(zhuǎn)移過程中，無(wú)論是否為連續(xù)過程，外部材料的換熱方式均從自然對(duì)流轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)制對(duì)流方式，換熱強(qiáng)度增大，放置在鑄型室后，換熱方式恢復(fù)至穩(wěn)定的自然對(duì)流方式，冷卻曲線呈線性降低。

3）型殼內(nèi)腔空氣的流動(dòng)方式在預(yù)熱、轉(zhuǎn)移和冷卻過程中均不受外部環(huán)境變化的影響，始終保持自然對(duì)流的狀態(tài)，型殼與內(nèi)腔空氣之間的對(duì)流換熱系數(shù)始終為常數(shù)（10 W/(m2·K)）。

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Temperature Field and Heat Transfer Regularity of Investment Casting Mold Shell during Preheating and Transfer

ZHENG Hang1, HAO Xin1,YAN Bin1, LIU Guo-huai2, WANG Ye3, GUO Zhao1, WANG Zhao-dong2

(1. AECC South Industry Company Limited, Zhuzhou 412002, China; 2. State Key Laboratory of Rolling and Automation, Northeastern University, Shenyang 110819, China; 3. School of Materials Science and Engineering, Harbin University of Science and Technology, Harbin 150008, China)

The work aims to obtain the influence laws of different technological conditions on the temperature distribution of high-temperature alloy investment casting mold shell during preheating and transfer. The temperature measurement schemes were designed according to the actual operating conditions. Thermocouple temperature measurement method was used to study the effect on temperature distribution of mold shell during preheating and transfer under four technological conditions of no insulation measures, addition of insulation cotton, sand filling and composite sand filling with insulation cotton. The variation curves of temperature field were obtained during the process of heating, heat preservation and transfer of mold shell. In addition, the interface heat transfer coefficients of the key structure were calculated by the inverse model of ProCAST according to the actual temperature measurement curve. The results showed that adding insulation materials to the mold shell led to an increase in the temperature range from 1.5 h to 2.5-5.6 h, and the cooling time also increased. During the transfer process, the heat transfer mode of external materials changes from natural convection to forced convection, and the heat transfer intensity increases. After the mold shell is placed in the mold chamber, the heat transfer mode returns to a stable natural convection mode, the interface heat transfer coefficient tends to be stable, and the cooling curve decreases linearly.

investment casting; superalloy; preheating of mold shell; interface heat transfer coefficient; temperature measurement

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.01.017

TG249.3；TG245

A

1674-6457(2022)01-0141-06

2021-06-10

鄭行（1989—），男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)楦邷睾辖鹁荑T造成形與制備。

王曄（1984—），男，博士，講師，主要研究方向?yàn)榫荑T造過程數(shù)值模擬與工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化。