基于CAFE法对16Cr20Ni14Si2熔模铸造凝固组织的模拟

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金属的凝固过程十分迅速且不透明,几乎不可能通过直接观察的方法去准确描述。研究技术人员通常采用以往的工程经验设计铸造工艺参数,这种设计方法既不准确,同时也会浪费大量的金钱与时间。元胞自动机-有限元(Cellular Automata-Finite Element简称为CAFE)法则能够直观分析金属的凝固过程,从而对工艺参数的选择提供参考。虽然国内外基于CAFE法对不同合金的凝固组织进行模拟研究,模拟结果与实际结果都十分吻合,但对于16Cr20Ni14Si2耐高温钢凝固组织模拟的研究十分稀少,该钢种被广泛应用于航空航天以及军工领域,具有迫切被研究的需要。本文首先构建了适用于16Cr20Ni14Si2合金的CAFE数学模型,然后基于CAFE法模拟了16Cr20Ni14Si2合金简单圆柱试样的微观凝固组织,研究了熔模铸造中各重要工艺参数的改变对16Cr20Ni14Si2合金微观凝固组织的影响。之后通过试样中得到的最佳工艺参数,设计了复杂薄壁发动机连接壳体部件的浇注系统,再通过对形核参数的模拟与分析,验证了CAFE法对于三维实体模型的适用性,同时基于该方法设计了合适的保温时间。最后进行浇注试验,发现基于CAFE法设计的铸件晶粒尺寸与实际晶粒尺寸的结果误差仅为0.07%,从晶粒尺寸的角度验证了CAFE法对于熔模铸造工艺下16Cr20Ni14Si2合金微观凝固组织的正确性。总结基于CAFE法对16Cr20Ni14Si2耐高温钢熔模铸造过程中各工艺参数对微观凝固组织的影响,结果如下:(1)型壳厚度从7mm增加9mm,型壳厚度越厚,晶粒数量越少;型壳温度从1203.15K减少至1143.15K,型壳温度越高,晶粒数量越多;浇注温度从1933.15K减少至1913.15K,浇注温度越低,晶粒数量越多;空冷、油冷和水冷这三种不同的冷却方式下,导热系数最大的水冷方式能够得到更多的晶粒;随着浇注速度从0.5kg/s到4.5kg/s的增加,晶粒数量会逐渐变多,晶粒取向也会逐渐靠近热流轴向方向,但是这个变化程度会越来越小。(2)形核密度的增大会使得晶粒的数量变多,尺寸变小,等轴晶的比例增加,更大的过冷度更方便形核,从而得到更多更细小的等轴晶粒;(3)相同的固溶温度下,保温时间越长,晶粒就越大,同时也发现保温时间的改变并不会改变晶粒的形貌,即不会发生柱状晶和等轴晶的明显转变。
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