一种复杂结构铸件铸造过程中成分偏析程度的预测方法
【专利摘要】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。
【专利说明】一种复杂结构铸件铸造过程中成分偏析程度的预测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及钢铁行业成分偏析分析【技术领域】，具体地，涉及一种复杂结构铸件铸造过程中成分偏析程度的预测方法。
【背景技术】
[0002]成分偏析是合金液凝固时固有的特性。当溶质元素在固相中的溶解度小于其在液相中的溶解度时，固液界面将向液相中排除溶质；而当溶质元素在固相中的溶解度大于在液相中的溶解度时，溶质从液相向固相扩散，将导致固液界面前沿出现溶质贫乏区。这种由于合金凝固过程中溶质的再分配导致合金凝固后的成分不均匀，即为成分偏析。通常，溶质元素在液相中的溶解度比在固相中高，因此溶质有脱离凝固相而被推到前沿液体中的倾向，末凝固部分富含溶质的液体被生长的枝晶臂分割，形成成分偏析区域。成分偏析是铸件的主要缺陷之一，降低合金固溶强化效果，同时，枝晶间形成的低熔点析出相，在铸件的焊接过程中容易成为裂纹源，降低铸件的力学性能与焊接性能。
[0003]根据经典凝固理论可知，在一般的合金凝固条件下，微观尺度的溶质再分配行为以及产生的微观偏析不仅取决于合金的物性参数(如固相扩散系数Ds、液相扩散系数、溶质分配系数k)及外部工艺条件如凝固速率V (或者局部凝固时间~)、温度梯度6，而且还与枝晶的生长方式、枝晶形貌等因素密切相关。
[0004]最简单的解析模型是局部平衡凝固条件下的Lever解析模型和Scheil解析模型，其它都是修正型解析模型。基于反向扩散的考虑，杠杆模型和Scheil模型是两种极限情况。
[0005]杠杆模型是一种平衡凝固模型，假设溶质在固液两相均充分扩散，即
[0006]
【权利要求】
1.一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、液相扩散系数队、固相扩散系数Ds、合金初始凝固温度T1、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入2 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λ 2;或者二次枝晶间距λ 2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λ 2，以及JMatPiO软件得到的热物理参数:溶质平衡分配系数k、液相扩散系数队、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:
2.根据权利要求1所述的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，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JMatPiO软件对K4169合金进行相图获得开始凝固温度T1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~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-T1)Af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，反则若两则不相同，则调整模型边界条件设置，再进行模拟，直到两者相同。
3.根据权利要求1所述的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，所述二次枝晶间距λ 2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Κ4169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+100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λ 2的平均值，最后将剖分铸件获得的实际二次枝晶间距λ 2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λ 2值，反则若两则不相同，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。
4.根据权利要求3所述的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，步骤(2)中，二次枝晶间距λ2的计算公式为
5.根据权利要求4所述的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，M值计算用各参数从热力学计算软件JMatPro或者参考文献L.NASTAC.NUMERICAL MODELING OF SOLIDIFICATION MORPHOLOGIES AND SEGREGATION PATTERNS INCAST DENDRITIC ALLOYS[J].Acta mater.Vol.17.pp:4253-4262.1999.获得。
6.根据权利要求1-5任一项所述的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，在ProCAST计算面板中，根据不同的合金输入相应初始凝固温度T1、共晶反应温度Ts以及计算出的M值，即能计算出铸件各结构部位的二次枝晶间距值入2。
【文档编号】G06F17/50GK103729511SQ201310746719
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年12月30日 优先权日:2013年12月30日
【发明者】韩延峰, 凌李石保, 王俊, 康茂东, 孙宝德 申请人:上海交通大学