[发明专利]多功能反重力铸造物理模拟装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种模拟装置，尤其是一种多功能反重力铸造物理模拟装置。

背景技术

进入新世纪，我国航空、航天、航海等应用领域，对传动系统和武器装备的使用要求越来越高，这些装备的关键支撑件，如航空发动机传动系统主减机匣，对复杂薄壁铝合金构件的需求越来越明显。复杂薄壁件的铸造技术已成为国防现代化建设的关键技术之一。对于这些复杂薄壁、多油路的镁、铝合金结构件，利用反重力铸造可以增强合金液的补缩能力，减少冷隔、欠铸等铸造缺陷。

反重力铸造兴起于20世纪50年代，它是指通过控制坩埚所在熔炼室内外的压强，在坩埚内的合金液上方形成一定的压强差(压差)，迫使合金液在压差的作用下，沿升液管自下而上克服重力及其它阻力充填铸型，并在一定压力下获得铸件的一种方法。

根据反重力铸造压差的不同形成方式，将其分为低压铸造、差压铸造、调压铸造及真空吸铸。低压铸造是将铸型置于大气压下，合金液所在坩埚置于下罐中，通过实时控制下罐的压强，迫使合金液沿升液管以一定的速度充型，当合金液充满铸型并完全凝固后，对下罐卸压，使得剩余的合金液从升液管倒回至坩埚，节省合金原材料。与低压不同的是，差压铸造是将铸型也置于压力釜，即上罐内，通过控制上下罐的压强，产生压差，压差不但驱动合金液充型，而且合金液的凝固过程也是在一定压差作用下完成的。调压铸造，是指合金液在负压下充型，在正压下凝固，设备结构非常接近于差压铸造。真空吸铸过程是指，合金液在较大的负压下充型，因此充型速度往往很快。

在反重力铸造的实验与生产探索研究中，王忠等基于铸件/铸型的传热学理论(王忠，牛晓峰，侯华.低压铸造下凝固过程缩孔缩松的预测方法研究.铸造.2011,60(10):983-987)，研究了低压铸造下铸件缩孔、缩松缺陷的形态，考虑到低压铸造补缩具有重力补缩和压力补缩双重性质的规律，以及压力对临界固相率的影响，提出了一种新的预测低压铸造下缩孔缩松预测的方法，并其进行了数值模拟计算。后进行验证，结果显示与实际吻合度较高。

米国发等研究了差压铸造不同工艺参数对A357合金二次枝晶间距的影响(米国发,文涛,王狂飞等.差压铸造凝固条件对A357合金二次枝晶的影响.铸造.2007,56(2):137-140)，实验结果表明,安放冷铁的石英砂型减小二次枝晶间距的能力最强；由于端部的激冷效应,离冷端越近,二次枝晶间距越小；压力对二次枝晶间距没有明显的影响；为了获得σ_bmax(最大抗拉强度)≥320MPa的铸件,二次枝晶间距应控制在55μm以下,即V_L(局部凝固速度)≥0.23℃/s。

利用反重力铸造方法，浇铸尺寸较大、结构复杂的铸件时，如要求较高的充型速度，往往采用带吸铸室的真空吸铸工艺，即CLA(Counter-gravity Low-pressure Casting)法(陈善贤，郝启堂，李强等.真空吸铸设备的发展与展望.铸造技术.2012,33(12):1478-1481.)，将铸型置于吸铸室内，密封室下降，直浇道浸入液态金属中，启动真空泵将吸铸室抽成负压状态，液态金属同时被吸入铸型。铸型内合金液凝固后，解除吸铸室的真空状态，浇道及升液管内尚未凝固的金属液回流至坩埚，取出铸型，清理后得到铸件。

应用真空吸铸工艺时，有学者认为充型速度过快，对于复杂薄壁件而言，会在铸件内部产生大量气孔缺陷。为证明此观点，根据相似原理设计制作了真空吸铸叶轮铸件的水力模拟实验装置(孙逊,王君卿.真空吸铸叶轮铸件水力模拟试验研究.特种铸造及有色合金.1998,(6):18-21)，研究了水充填模型型腔过程中型内压力和充型速度变化规律,通过实验确定了合理的充型工艺参数,并将其应用于实际叶轮吸铸试验中,消除了铸件内的大面积气孔缺陷。

目前反重力铸造工艺，应用于复杂薄壁铝、镁合金铸件方面，仍有一些问题急待解决：

1).充型过程中，型内具有较高的气体反压力(真空吸铸除外)，影响了液态合金的充型能力，导致反重力铸造在压强精确控制方面难度很大；

2).低压、差压铸造时，型内残余气体，极易与铝、镁合金液表面发生化学反应生成氧化膜，导致卷入合金液形成夹渣和气孔，形成铸造缺陷，这类缺陷在型腔内的分布与充型速度间的关系没有摸清；

3).关于液态金属的充填形态对复杂薄壁铸件凝固过程的影响，文献研究较少，尤其是金属液回流规律与压差间的关系方面，科技工作者仍然缺乏对反重力铸造充型规律的认识；