介紹
葉輪是離心泵的核心部件。在運(yùn)行過(guò)程中，葉輪必須承受振動(dòng)和離心力，從而對(duì)葉片施加拉、壓和彎曲應(yīng)力。此外，流過(guò)外部針孔或微孔（如圖 1 所示）往往會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)腐蝕，從而減少
流體傳輸?shù)男省Ｒ虼?，消除葉輪葉片的內(nèi)部和表面缺陷對(duì)于防止蠕變、疲勞失效甚至損壞至關(guān)重要。 鑄造流動(dòng)分析可以納入初步設(shè)計(jì)過(guò)程，以降低熔模鑄造中形成缺陷的可能性（如偏析、表面針孔、縮孔和孔隙率），可顯著提高鑄件質(zhì)量，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程。已經(jīng)開(kāi)發(fā)了幾種方法來(lái)模擬鑄造中的澆注過(guò)程，包括壓力關(guān)聯(lián)方程的半隱式方法 (SIMPLE)、標(biāo)記和單元 (MAC) 方法 2 和流體的求解算法體積 (SOLA-VOF) 方法。 3 為了提高葉輪鑄件的質(zhì)量，本研究使用 AnyCasting 中的模流分析技術(shù)來(lái)模擬澆注過(guò)程，以?xún)?yōu)化澆注系統(tǒng)并提高鑄件產(chǎn)量和生產(chǎn)率。
方法
實(shí)驗(yàn)中使用的組件包括一個(gè)直徑為 96.803 毫米的葉輪模具和一個(gè) 60 毫米的澆口，兩側(cè)有兩個(gè)流道。圖 2a 說(shuō)明了澆注系統(tǒng)的初始設(shè)計(jì)。泵的材質(zhì)采用17-4PH不銹鋼。不銹鋼材料的物理性質(zhì)如下：密度（ρ）為7750 kg m-3，比熱（S）為459.45 J kg-1·°C，液相線溫度（TP）為1440°C，和固相線溫度 (TS) 為 1400°C。熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率隨溫度而顯著變化，它們被視為變量。對(duì)于隨溫度變化有限的物理參數(shù)（如密度、比熱和潛熱），在仿真軟件中用常數(shù)處理。進(jìn)行澆注和凝固過(guò)程的數(shù)值模擬的主要目的是優(yōu)化工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)鑄造缺陷的預(yù)測(cè)和控制。我們使用 SolidWorks 3D 軟件開(kāi)發(fā)了葉輪葉片和澆注系統(tǒng)的精確單元模型。然后將模型導(dǎo)入 AnyCasting 進(jìn)行基于有限差分法 (FDM) 的預(yù)處理。在離散計(jì)算節(jié)點(diǎn)，
1 離心泵螺旋葉輪形成的典型缺陷：內(nèi)縮氣孔； b 表面缺陷
我們導(dǎo)出了包含有限數(shù)量未知數(shù)的差分方程。求解差分方程產(chǎn)生近似解析解，這些解用于數(shù)值模擬中物理參數(shù)和工藝條件的設(shè)計(jì)。迭代計(jì)算的收斂標(biāo)準(zhǔn)<0.001。根據(jù)殘余熔體模量 (RMM)4 并結(jié)合 Niyama 準(zhǔn)則模型 5,6 評(píng)估缺陷的發(fā)生概率。熔融金屬的填充涉及非等溫流動(dòng)，伴隨著傳熱損失和凝固。根據(jù)質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒可以分析各種熱力學(xué)行為和流場(chǎng)演變。連續(xù)性方程，納維-斯托克斯方程（對(duì)于動(dòng)量）、能量方程和流體體積函數(shù)用于預(yù)測(cè)熔融金屬的填充行為和描述金屬流動(dòng)自由表面的變化。 收縮預(yù)測(cè)的 Niyama 準(zhǔn)則模型指定如下6：
其中 G 表示感興趣區(qū)域的局部溫度梯度 (K m−1)； R 是冷卻速率；CNiyama 表示 Niyama 標(biāo)準(zhǔn)的閾值。 這里使用的 CNiyama 值是1.0 K1/2 s1/2 mm−1.4
結(jié)果和討論
初始澆筑方案的數(shù)值分析
圖 2a 顯示了垂直門(mén)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其中包含 3849925 個(gè)計(jì)算單元。澆注溫度 (Tcasting) 和殼模溫度 (Tceramic) 分別為 1580 和 1200°C。 t = 1.9 秒時(shí)熔融金屬的瞬態(tài)流動(dòng)如圖 2b 所示。傾倒在大約3.7秒內(nèi)完成。如圖，集線器之前被填滿刀片是。這是因?yàn)槿~片結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，厚度不均勻，增加了流動(dòng)阻力和產(chǎn)生湍流的趨勢(shì)。圖 2c 顯示了熔融金屬凝固的順序。凝固在大約882.5秒完成。外緣在大約 187 秒時(shí)凝固，這比刀片發(fā)生得更早。圖 3 顯示了使用 Niyama 準(zhǔn)則模型（即考慮溫度梯度和冷卻速率的比率）結(jié)合 RMM 基于初始澆注參數(shù)在澆注的各個(gè)部分中出現(xiàn)缺陷的概率。RMM 表示在每個(gè)網(wǎng)格處達(dá)到臨界固體分?jǐn)?shù)時(shí)保留熔體的體積除以表面積。 RMM 的值越低，形成缺陷的可能性越大。如圖所示，收縮缺陷很容易出現(xiàn)在薄壁區(qū)域以及呈現(xiàn)較大變化的區(qū)域。結(jié)構(gòu)墻的厚度。我們推測(cè)，使用較低溫度和較低殼模溫度的熔融金屬導(dǎo)致薄壁附近的結(jié)構(gòu)冷卻得更快，從而導(dǎo)致內(nèi)部殘余應(yīng)力以及表面的縮孔和變形。此外，快速冷卻次生枝晶之間的進(jìn)料通道中增加了熔融金屬的流動(dòng)阻力，導(dǎo)致進(jìn)料不足并較終導(dǎo)致縮孔。
2 初始澆注系統(tǒng)的物理模型； b t = 1.99 秒時(shí)熔融金屬流動(dòng)的瞬態(tài)現(xiàn)象。 灰色表示低于固相線溫度（1400°C）的溫度； c 在 t = 187.4 秒時(shí)凝固的瞬態(tài)現(xiàn)象
3 a-c 初始參數(shù)下不同截面出現(xiàn)缺陷的概率。 紅色區(qū)域表示高概率收縮缺陷形成
改進(jìn)澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)和澆注狀況
在上一節(jié)中，由于澆注系統(tǒng)的不足，無(wú)法提供足夠的加料，初始澆注參數(shù)導(dǎo)致縮孔和分散收縮。因此，必須對(duì)厚度不均勻和局部溫度過(guò)高的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。 考慮到結(jié)構(gòu)壁厚變化較大的區(qū)域容易出現(xiàn)殘余應(yīng)力和變形，我們更換了葉片上的流道澆注系統(tǒng)的一側(cè)帶有冒口，以應(yīng)對(duì)快速冷卻和不完全進(jìn)料。與冒口協(xié)調(diào)，我們將澆道直接放置在流道上方。此外，立管的設(shè)計(jì)必須滿足能量標(biāo)準(zhǔn)，7 這意味著冒口和冒口頸部的凝固時(shí)間必須超過(guò)模腔的凝固時(shí)間，以確保進(jìn)料通道保持通暢。為增強(qiáng)進(jìn)料功能，冒口為水平方向，可提供順暢的進(jìn)料路徑和與鑄件的較短送料距離。此外，為確保有足夠量的熔融金屬填充鑄造缺陷，冒口的尺寸和體積必須符合以下公式8：
式中 V1、V2、V3 分別表示冒口的體積（mm3）、鑄件的體積補(bǔ)給要求和冒口的較終凝固體積，β 表示鑄造合金的凝固收縮系數(shù)（%）。我們將使用等式（2）（尺寸：60（d）×60（h）mm）設(shè)計(jì)的四個(gè)立管放在葉輪輪轂左側(cè)外側(cè)，起進(jìn)料作用。圖 4a 顯示了門(mén)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，共包含 4002480 個(gè)細(xì)胞。采用 Tcasting = 1650 和 Tceramic = 1250°C。圖 4b 顯示了 t = 2.2 秒時(shí)熔融金屬流動(dòng)的瞬態(tài)現(xiàn)象。如圖所示，立管顯著減輕了薄壁附近的流動(dòng)和湍流的影響，從而降低了氣孔的可能性。此外，凝固時(shí)間的分析表明，總凝固時(shí)間從 882.5 秒增加到 935.4 秒。冒口的加入使薄壁附近的凝固時(shí)間從 320 秒減少到 300 秒，冒口頸部的凝固時(shí)間（t = 440 秒）超過(guò)了較初形成縮孔區(qū)域的凝固時(shí)間（t = 150 秒）。這些
改變使成功完成喂養(yǎng)成為可能。
4 改進(jìn)澆注系統(tǒng)的物理模型； b t = 2.26 秒澆注時(shí)熔融金屬流動(dòng)的瞬態(tài)現(xiàn)象；c t = 252.6 秒的瞬態(tài)凝固現(xiàn)象
5 a-c 改進(jìn)澆注系統(tǒng)不同部分出現(xiàn)缺陷的概率，顏色代表概率缺陷參數(shù)
6 之間的關(guān)系：溫度-時(shí)間； b 從熱力學(xué)傳感器獲得的溫度-固體分?jǐn)?shù)。 3a 和 5a
初始方案和改進(jìn)方案下的熱力學(xué)行為分析
圖 5 說(shuō)明了缺陷發(fā)生的概率使用改進(jìn)方案的各個(gè)部分。正如所見(jiàn)，重新設(shè)計(jì)的澆注系統(tǒng)顯著降低了薄壁區(qū)域出現(xiàn)縮孔的可能性。這可以歸因于冒口的添加和更高的澆注溫度。為確定初始參數(shù)下鑄件缺陷形成的原因，我們?cè)谌~輪葉片薄壁附近安裝了熱力學(xué)傳感器，進(jìn)行溫度時(shí)間和時(shí)間-固含量分析，如圖1和圖2所示。 3a 和 5a。結(jié)果如圖 6 所示。如圖所示，使用初始澆注方案的缺陷位置的溫度比使用改進(jìn)方案的相同位置的溫度更早下降到 1400°C 的固相線溫度。前者在 390 秒時(shí)開(kāi)始低于固相線溫度，而后者直到 500 秒才這樣做。顯然，如果沒(méi)有立管，初始澆注系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致葉輪結(jié)構(gòu)內(nèi)二次枝晶過(guò)快凝固。這導(dǎo)致葉片內(nèi)進(jìn)料不足，導(dǎo)致形成收縮孔隙。圖 6b 顯示初始澆注當(dāng)固體分?jǐn)?shù)為 70% 時(shí)，該方案導(dǎo)致溫度從 1400°C 下降，而在改進(jìn)的澆注系統(tǒng)下，直到固體分?jǐn)?shù)為 78.5% 時(shí)才發(fā)生這種情況。我們推斷，在初始澆注條件下，該位置過(guò)快的溫度下降增加了流動(dòng)阻力。改進(jìn)后的澆注系統(tǒng)雖然延長(zhǎng)了整體凝固過(guò)程，但顯著提高了澆注效果。 熔融金屬。
結(jié)論
本研究概述了基于 AnyCasting 數(shù)值模擬的離心泵葉輪熔模鑄造工藝的優(yōu)化。本研究的主要發(fā)現(xiàn)如下：
1. 改變澆注參數(shù)和澆注/加料系統(tǒng)的組合，以提高澆注溫度和殼模溫度，降低了葉輪葉片薄壁內(nèi)的冷卻速度，從而降低了表面變形和縮孔的可能性。
2、葉輪葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、厚度不均是部分地區(qū)出現(xiàn)縮孔和氣孔的主要原因。改進(jìn)方案延長(zhǎng)了凝固時(shí)間；但冒口的加入使熔融
金屬在結(jié)構(gòu)壁厚變化過(guò)大的區(qū)域較早凝固。
3. 初始參數(shù)和改進(jìn)參數(shù)的產(chǎn)率分別為 30.2% 和 28.9%。盡管使用初始澆注系統(tǒng)的產(chǎn)量較高，但這導(dǎo)致葉輪鑄件中的收縮孔隙率和氣孔率較高。添加提升管導(dǎo)致產(chǎn)量降低；然而，這完全消除了缺陷的形成。
滬公網(wǎng)安備 31011402010094號(hào)