反重力鑄造充型過(guò)程的水力學(xué)特征和氧化膜卷入機(jī)制.pdf

1、反重力鑄造技術(shù)具有充型平穩(wěn)優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是解決氧化膜和夾雜卷入的有效技術(shù)手段。然而，在實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鋁（鎂）合金鑄件，在采用反重力鑄造時(shí)依然會(huì)出現(xiàn)一定程度卷氣、夾雜等缺陷，影響鑄件的冶金質(zhì)量和力學(xué)性能。深入揭示反重力鑄造中卷入性缺陷的形成與演化規(guī)律，對(duì)制備優(yōu)質(zhì)鑄件，優(yōu)化鑄造工藝具有重要重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。基于此，本文利用水力學(xué)計(jì)算、相似物理模擬和生產(chǎn)性驗(yàn)證相結(jié)合的方法，從反重力鑄造充型過(guò)程的水力學(xué)特征出發(fā)，研究了加壓速度

2、和型腔截面變化對(duì)澆口速度的影響，以及澆口速度對(duì)充型形態(tài)和充型穩(wěn)定性的作用規(guī)律，明晰了反重力鑄造過(guò)程中，表面氧化膜卷入機(jī)制，并且給出了避免表面膜卷入的基本工藝原則。此外，本文還分析了澆道結(jié)構(gòu)形式對(duì)充型穩(wěn)定性的影響，提出了適用于反重力鑄造的澆道結(jié)構(gòu)形式。
　　建立了與實(shí)際工況接近的反重力鑄造物理模型，并根據(jù)型腔截面變化程度設(shè)計(jì)了4種典型型腔結(jié)構(gòu)，利用VOF兩相流方法，研究了設(shè)備參數(shù)、工藝參數(shù)和型腔截面變化對(duì)澆口速度的影響規(guī)律。結(jié)果表明

3、，根據(jù)澆口速度的變化規(guī)律，突擴(kuò)結(jié)構(gòu)的充型過(guò)程可分為鋪展階段和充型階段。在鋪展階段，澆口速度首先快速增加；在充型階段，隨后隨著加壓速度的不同，澆口速度表現(xiàn)出三種不情況：加壓速度較大時(shí)，澆口速度繼續(xù)增加；加壓速度合理時(shí)，澆口速度保持不變；加壓速度較低時(shí)，澆口速度先降低后保持不變。漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)的鋪展階段所需時(shí)間較短，澆口速度增加幅度略小。在充型階段，澆口速度始終不斷增加，加壓速度越大，澆口速度增加越快。澆口速度的增加速度始終低于鋪展階段。突縮結(jié)構(gòu)

4、的充型特點(diǎn)是當(dāng)金屬液流入小截在后，澆口速度快速降低，隨后開始具有衰減振蕩的特點(diǎn)。在漸縮結(jié)構(gòu)的充型過(guò)程中，澆口速度緩慢降低。加壓速度越大，澆口速度下降速度越快，速度振幅越小。在反重力鑄造充型過(guò)程中，加壓速度和型腔截面變化對(duì)澆口速度的影響同等重要。
　　對(duì)充型形態(tài)和速度場(chǎng)的分析表明，升液階段平均速度小于0.12m/s時(shí)，鋁液表面的氧化膜能附著到升液管壁上。否則，表面膜將在升液管壁附近被撕裂，漂浮在升液管中部的液面上，進(jìn)入型腔后存在卷入

5、金屬液內(nèi)部的可能。突擴(kuò)結(jié)構(gòu)和漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)充型過(guò)程中的鋪展階段，由于截面增大，金屬液水平流動(dòng)，型腔內(nèi)液面升高速度降低。加壓速度越大，下罐壓力和型腔液面高度產(chǎn)生的壓力的差值越大，澆口速度增加越大，射流越嚴(yán)重。突擴(kuò)結(jié)構(gòu)和漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)的臨界澆口速度為0.5m/s。當(dāng)澆口速度大于0.5m/s時(shí)，射流作用使金屬液在自由表面上被抬高，回落到液面時(shí)攜裹氧化膜進(jìn)入金屬液內(nèi)部，形成卷入性缺陷。在突縮結(jié)構(gòu)中，型腔橫截面積變小，金屬液流入小截面后，液面前沿的速度在慣性

6、作用下快速增加，當(dāng)加壓速度保持不變時(shí)，下罐壓力不足以支撐液面的高度，導(dǎo)致液面回流。型腔壁上附著的金屬液快速凝固結(jié)殼，當(dāng)液面再次上升時(shí)，形成雙層膜形式的表面裂紋。通過(guò)在截面變化處增加加壓速度可以避免突縮結(jié)構(gòu)和漸縮結(jié)構(gòu)充型過(guò)程中形成表面裂紋。
　　針對(duì)傳統(tǒng)澆道結(jié)構(gòu)在反重力條件下充填時(shí)易產(chǎn)生卷氣和液面回流的問題，研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)減小橫澆道的長(zhǎng)度并增加其高度，同時(shí)采用較低的加壓速度充填橫澆道能夠避免上述問題，但在實(shí)際應(yīng)用中仍有局限性。“Y”形