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钛合金铸件立式离心铸造凝固组织的数值模拟研究
摘要：
钛合金是一种重要的高性能金属材料，其在航空、航天、汽车等领域中得到广泛应用。而钛合金铸件在机械加工过程中容易出现加工难度大、加工效率低等问题，因此采用立式离心铸造工艺可以有效地提高钛合金铸件的制造质量和生产效率。本文着重研究了钛合金铸件在立式离心铸造过程中的凝固组织，通过数值模拟的方法探究了凝固过程中的温度场和相变行为，分析了凝固时间、晶粒尺寸、相分布等参数对于凝固组织的影响，为提高钛合金铸件的制造质量和生产效率提供了有价值的参考。
关键词：钛合金铸件；立式离心铸造；凝固组织；数值模拟。
Abstract:
Titaniumalloyisanimportanthigh-performancemetalmaterial,whichhasbeenwidelyusedinaerospace,aviation,automobileandotherfields.However,titaniumalloycastingsarepronetoproblemssuchasdifficultprocessingandlowprocessingefficiencyinthemachiningprocess.Therefore,theverticalcentrifugalcastingprocesscaneffectivelyimprovethemanufacturingqualityandproductionefficiencyoftitaniumalloycastings.Thispaperfocusesonthemicrostructureoftitaniumalloycastingsintheprocessofverticalcentrifugalcasting,exploresthetemperaturefieldandphasechangebehaviorduringthesolidificationprocessthroughnumericalsimulation,analyzestheeffectsofsolidificationtime,grainsizeandphasedistributiononthemicrostructure,andprovidesvaluablereferenceforimprovingthemanufacturingqualityandproductionefficiencyoftitaniumalloycastings.
Keywords:titaniumalloycastings;verticalcentrifugalcasting;microstructure;numericalsimulation.
一、引言
钛合金具有密度低、强度高、抗氧化性能好等优点，因此在航空、航天、汽车等领域中被广泛应用。其中，钛合金铸件是一种常见的制造形式，但在加工过程中由于其硬度较大，易出现加工难度大、加工效率低等问题，因此如何提高钛合金铸件的制造质量和生产效率成为一个热门的研究领域。立式离心铸造作为一种有效的制造工艺应运而生，该工艺可以在铸造过程中将液态金属沿离心力场方向均匀分布，并通过液态金属的旋转使铸件的横截面形成一个旋转对称结构，从而提高钛合金铸件的制造质量和生产效率。
本文旨在通过数值模拟的方法研究钛合金铸件在立式离心铸造过程中的凝固组织，分析凝固时间、晶粒尺寸、相分布等参数对于凝固组织的影响，以期为提高钛合金铸件的制造质量和生产效率提供有价值的参考。
二、数值模拟方法
钛合金铸件在立式离心铸造过程中的凝固组织是一个复杂的物理过程，涉及到热传导、热对流、相变等多个方面的耦合问题。因此，本文采用计算流体力学（CFD）方法对该过程进行数值模拟，通过求解并计算模拟领域中的质量、动量和能量守恒方程，获取温度场、浓度场、速度场等相关参数，以及晶粒尺寸、相分布等凝固组织的信息。
三、数值模拟结果和分析
3.1温度场
图1是在立式离心铸造过程中钛合金铸件的温度场分布（单位：℃）。从图中可以看出，最高温度出现在铸件底部，其次是铸件的头部和上部，整个钛合金铸件呈渐进式降温的过程，熔体从高温逐渐冷却到固态。
3.2凝固时间
图2是在不同材质的钛合金中采用立式离心铸造工艺所得出的凝固时间变化曲线。从图中可以看出，凝固时间受到材料种类的影响较大，材料种类不同，凝固时间也不同。一般而言，凝固时间较长的钛合金具有较大的晶粒尺寸和较低的综合强度。
3.3晶粒尺寸
图3是在不同材质的钛合金中采用立式离心铸造工艺所得出的晶粒尺寸分布图，其中钛合金1的晶粒尺寸比钛合金2更大，这也符合凝固时间和晶粒尺寸两者之间的关系。
3.4相分布
图4是在不同材质的钛合金中采用立式离心铸造工艺所得出的相分