[发明专利]一种复杂结构铸件铸造过程中成分偏析程度的预测方法

摘要

本发明提供了一种复杂结构铸件铸造过程中成分偏析程度的预测方法，包括（1）利用商业化JMatPro软件的热物理参数计算模块计算获得合金的热物性参数；（2）应用ProCAST有限元软件对复杂结构铸件的铸造充型、凝固过程进行仿真模拟，获取铸件各个部位的温度场数据；（3）利用ProCAST软件自带的二次枝晶间距计算模块计算铸件各结构部位的二次枝晶间距值；（4）计算复杂结构铸件各结构部位的MSI偏析指数，并根据MSI偏析指数大小判定铸件各结构部位的微观偏析程度。本发明借助有限元软件和热力学计算软件，结合铸造实践，有效预测复杂结构铸件各结构部位的溶质元素的微观偏析程度，应用范围广。

主权项

一种复杂结构铸件铸造过程中成分偏析程度的预测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(1)获取计算用热物性参数利用商业化JMatPro软件的热物理参数计算模块获得合金的热物性参数，参数包括溶质平衡分配系数k、液相扩散系数DL、固相扩散系数DS、合金初始凝固温度Tl、共晶反应温度Ts；(2)获取铸件各个部位的温度场数据应用ProCAST有限元软件对复杂结构铸件的铸造充型、凝固过程进行仿真模拟，获取铸件各个部位的温度场数据，数据包括金属液的凝固速度V、局域凝固时间tf；或者局域凝固时间tf、凝固速度V通过熔模精密铸造与模拟分析相结合的方法获取；(3)获取铸件各结构部位处二次枝晶间距λ2利用ProCAST有限元软件自带的二次枝晶间距计算模块计算铸件各结构部位的二次枝晶间距λ2；或者二次枝晶间距λ2通过熔模精密铸造与模拟分析相结合的方法获取；(4)计算铸件各结构部位处偏析指数MSI值把从ProCAST有限元软件获取的凝固参数：金属液的凝固速度V、局域凝固时间tf、二次枝晶间距λ2，以及JMatPro软件得到的热物理参数：溶质平衡分配系数k、液相扩散系数DL、固相扩散系数DS，代入微观偏析程度判定指数MSI式中，并借助ProCAST有限元软件的ViewCAST模块，计算出复杂结构铸件各结构部位的偏析指数MSI，根据复杂结构铸件各结构部位的偏析指数MSI值的大小判定铸件各结构部位的微观偏析程度：偏析指数MSI越大，微观偏析越严重，凝固末期形成的枝晶间析出相含量就越高；其中：MSI=PeLkFoS=18·12kDLDSVλ23tf=18·A·Vλ23tf,A=12kDLDS]]>式中：PeL为无量纲溶质Pélet数，表征固液界面前沿液相中由溶质过饱和度所确定的扩散驱动力；FoS为无量纲傅里叶数，也称固相反扩散因子；k为溶质平衡分配系数；DL为液相扩散系数；DS为固相扩散系数；V为凝固速度；tf为局域凝固时间；为包含合金材料的物性参数，取决于材料的选择，对于同一零件上的不同结构部位，A认为是常数；所述局域凝固时间tf、凝固速度V通过熔模精密铸造与模拟分析相结合的方法获取，具体为：针对固定的K4169合金，基于固定的铸件模型和铸造工艺条件，进行实际铸造得到铸件，铸造过程中，在铸件特征结构部位预先放置耐高温热电偶，实时测量铸造过程金属液的冷却曲线，一方面，结合JMatPro软件对K4169合金进行相图获得开始凝固温度Tl及凝固结束温度Ts，即可获得局域凝固时间tf和冷却速度R，其中：局域凝固时间tf即为金属液开始凝固至凝固结束所经历的时间，而冷却速度R通过公式R＝‑(Ts‑Tl)/tf获得；另一方面，结合多支热电偶的位置，获得指定部位的温度梯度G，再根据公式R＝‑GV获得指定部位金属液的凝固速度V；最后将热电偶的实际测量值与模拟值进行比较，若两者相同，则认为该模拟获得的局域凝固时间tf、凝固速度V即为铸件的局域凝固时间tf、凝固速度V，若两者不相同，则调整模型边界条件设置，再进行模拟，直到两者相同；所述二次枝晶间距λ2通过熔模精密铸造与模拟分析相结合的方法获取，具体为：针对固定的K4169合金，基于固定的铸件模型和熔模铸造工艺条件，进行实际熔模铸造得到铸件，对铸件进行剖分，将各个结构部位截取金相试样，采用10gCuCl2+100ml酒精+100ml盐酸的混合试剂进行轻微腐蚀，然后进行金相观察统计二次枝晶间距λ2的平均值，最后将剖分铸件获得的实际二次枝晶间距λ2值与模拟值进行对比，若两者相同或者误差为5％以内，则认为该模拟结果即为铸件的二次枝晶间距λ2值，若两者不相同，则调整模型边界条件设置，再进行模拟，直到两者相同或者在误差范围内。