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大型薄壁铝合金闭式叶轮水冷铸造工艺研究
摘要
本文主要围绕大型薄壁铝合金闭式叶轮的水冷铸造工艺进行研究，对铸造工艺中的关键参数进行了优化和改善，以提高铸造产品的质量和生产效率。本文通过实验，对凝固过程中叶轮内部结构进行了分析，同时采用热流场模拟技术有效预测了叶轮壁面温度及固相图的变化规律。实验结果表明，通过优化铝合金的成分配比和铸造参数，可以加快凝固速度、提高铸件的致密度和整体性能，从而满足热力发电、机械制造和船舶航空等领域的应用需求。
关键词：铝合金；闭式叶轮；水冷铸造；热流场模拟；凝固过程
Abstract
Thispapermainlyfocusesonthewater-cooledcastingprocessoflargethin-walledaluminumalloyclosedimpeller,andoptimizesandimprovesthekeyparametersinthecastingprocesstoimprovethequalityandproductionefficiencyofthecastingproducts.Throughexperiments,thispaperanalyzedtheinternalstructureoftheimpellerduringsolidificationprocess,andeffectivelypredictedthewalltemperatureandthechangeregularityofsolid-phasediagrambyusingthethermalflowfieldsimulationtechnology.Theexperimentalresultsshowedthatbyoptimizingthecompositionofaluminumalloyandcastingparameters,thesolidificationspeedcouldbeaccelerated,thecompactnessandoverallperformanceofthecastingcouldbeimproved,andtheapplicationrequirementsofthermalpowergeneration,mechanicalmanufacturing,andshipaviationcouldbemet.
Keywords:aluminumalloy;closedimpeller;water-cooledcasting;thermalflowfieldsimulation;solidificationprocess
1引言
随着工业技术的发展和应用领域的拓展，大型铝合金薄壁叶轮成为了热力发电、工业制冷和船舶航空等领域的重要零部件。在这些应用环境下，薄壁铝合金叶轮需要具备高强度、高腐蚀性和高耐磨性等性能，同时还要满足整体性和致密度等方面的要求。因此，铸造工艺的优化和改进对于提高产品质量和生产效率具有重要意义。
水冷铸造作为常用的铸造方法之一，能够通过调整铸件的凝固过程及温度梯度，提高铸件的致密度和碾压强度。本文通过合理选用铝合金材料和铸造参数，实验验证了水冷铸造对大型薄壁铝合金闭式叶轮铸造质量的优化作用。同时，采用热流场模拟技术，对凝固过程中的温度场和固相图进行了预测，为铸造工艺的优化提供了理论依据。
2铝合金材料及铸造工艺
2.1铝合金材料
铝合金是一种具有轻量、高强度、耐腐蚀、导热性好等特点的材料，广泛应用于各种机械、航空航天和工业制造等领域。在本研究中，选用了主要成分为Al-Si-Cu-Mg的6061铝合金作为铸造材料，其化学成分和物理性能见表1。
表1材料化学成分和物理性能
材料名称化学成分（%）机械性能
AlSiCuMgFeMnZnTiVOthers降伏强度（MPa）抗拉强度（MPa）伸长率（%）
606197.1~98.50.40~0.850.15~0.400.8~1.20.700.150.250.150.050.1524031022
2.2铸造工艺
在本研究中，采用重力铸造的方式进行铸造。铸造设备为电阻炉，炉温约为750~800℃。铸模采用砂型铸造，型材采用珍珠岩型石膏，膜厚为15mm。铸造过程中注入液态铝合金至铸模内，同时通过冷却水进行冷却，形成液态铝合金凝固结晶的过程，最终得到铝合金闭式叶轮。
为了优化铸造工艺，我们在铸造过程中对铸件的凝固过程和参数进行了探究。其中，铸造参数包括铝合金的成分配比、铅锡处理、速度控制、模具预热、气压和冷却方法等方面。具体流程见图1。
图1铝合金闭式叶轮水冷铸造工艺流程图
3热流场模拟
为了更好地了解铸造过程中温度场及固相图的变化规律，本研究采用了热流场模拟技术对铝合金闭式叶轮的凝固过程进行了模拟和预测。