上海航天精密機械研究所:基于仿真模擬的稀土鎂合金鑄造過程裂紋控制研究

發布時間:2023-09-18

作者:特種鑄造

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當前,復雜的軍事戰略環境對飛行器戰技指標提出了更高的要求。同時,飛行器氣動外形多呈現異形曲面,飛行過程中熱流進一步加大,因此飛行器結構材料的耐熱性能和輕量化需求越來越迫切。Mg-Gd-Y系稀土鑄造鎂合金具有較高的高溫強度和韌性,密度較小,適用于飛行器主承力、大型復雜構件,但其含有較多的稀土元素,具有較大的熱變形抗力,在鑄造大型復雜零件時易產生裂紋等問題。


近幾年,鑄造過程仿真模擬技術發展迅速,國內在軟件開發和工程應用方面開展了大量的研究工作。通過對鑄造充型過程進行模擬,預測凝固過程應力、缺陷產生情況,有效指導工藝改進,減少鑄造內部缺陷、變形開裂等問題,對于降低研制成本和改進工藝具有積極意義?;谝陨媳尘?,上海航天精密機械研究所姚斐高級工程師研究團隊借助ProCAST軟件對某飛行器大尺寸異形艙體的鑄造工藝方案進行模擬,預測凝固過程中的鑄件應力分布情況,降低因應力過大而產生裂紋的概率,提高鑄件的合格率。

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某飛行器艙體為空間異型結構,其三維模型見圖1,輪廓尺寸約為1200mm×1100mm×800mm, 艙體中間存在U形槽,槽寬約為220mm, 主體壁厚為2~3mm。艙體整體呈非回轉體,型面復雜,要求為Ⅰ類鑄件。在鑄造成形過程中極易發生變形,嚴重時會導致鑄件開裂。

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圖1 艙體鑄件三維模型圖


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圖2 艙體澆注系統三維模型

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圖3 端框圓角尺寸

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圖4 應力分布圖


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圖5 艙體結構圖


對艙體澆注過程中出現的裂紋進行分析,結合仿真模擬結果,認為Mg-Gd系鑄造合金中稀土含量高、熱膨脹系數大,凝固過程相變應力大,在受阻收縮時,容易形成顯微裂紋甚至是宏觀應力裂紋。在艙體鑄件冷卻過程中,發生了較大的收縮,鑄造應力逐漸增大,在應力超過合金的強度時產生了斷裂。根據分析,把對端框轉角產生裂紋部位R75圓角尺寸修改為R200。一方面可以將應力分散在遠離轉角的兩個立筒澆注系統之間,將應力足夠分散,另一方面可以將端框圓角處增加約1/2,約40mm寬,提高該處的結構強度,減小拉裂風險。

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圖6 改進圓角的應力分布圖

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圖7 改進圓角后的鑄件

研究結論

通過ProCAST軟件對Mg-Gd-Y艙體鑄造過程應力分布進行模擬并根據結果調整裂紋處的圓角尺寸,成功制備無裂紋的艙體鑄件。在進行大尺寸異形艙體鑄造時,應特別關注鑄件在不同尺寸方向的收縮量,通過計算應力分布,在工藝設計環節增強該區域的結構強度(如增加圓角、工藝拉筋),優化鑄件結構的應力分布,可以顯著減少因應力過大產生的裂紋。


文獻引用

姚斐,劉穎卓,王堃,等.基于仿真模擬的稀土鎂合金鑄造過程裂紋控制研究[J].特種鑄造及有色合金,2023,43(3):342-344.


YAO F,LIU Y Z,WANG K,et al.Cracking control of rare earth magnesium alloys during casting process based on numerical simulation[J].Special Casting & Nonferrous Alloys,2023,43(3):342-344.