基于MAGMASOFT的大型鋁合金葉輪鑄造工藝模擬

孫德智，王桂青, 田長文

(1.山東建筑大學材料學院，山東 濟南 250101；2.齊魯工業大學(山東省科學院)，山東省科學院新材料研究所，山東 濟南 250014)

葉輪作為動力機械的主要部件，起著能量轉換的重要作用[1]。因為葉輪本身具有壁薄、結構復雜、精密度高、內部質量要求高等特點，鑄造難度相當大。而鋁合金鑄件在實際生產中，會有多種鑄造缺陷，如鑄造裂紋、花邊狀組織、晶粒粗大、縮孔、澆不足、氧化夾渣與氣孔等[2]。由于長時間工作在高速運動的環境下，鋁合金葉輪除需要考慮動平衡、凈平衡等參數以外，使用條件對鑄件葉輪內部質量要求也十分嚴格，不允許有鑄件缺陷產生，以免影響葉輪的工作性能[3-4]。

為有效提高設計效率、縮短設計周期，在保證鑄件結構強度、性能及壽命要求的前提下，圍繞提高工藝的合理性和準確性、降低試制成本并設計出合理的鑄造工藝方案[5]，已進行了大量研究。近年來，葉輪鑄造相關研究主要是對熔模鑄造、3D打印、攪動細晶鑄造等進行數值模擬分析。Hazra等研究發現，由于鑄造產生的枝晶Cu-Al相和高孔隙率缺陷是使得葉輪腐蝕失效的主要原因，通過進行有限元模擬可以減少缺陷產生[6]；胡聘聘等[7]對比研究了高溫合金鑄型攪動細晶鑄造和普通鑄造葉輪的力學性能，結果表明，在800 ℃以下鑄型攪動細晶鑄造的鑄件拉伸強度明顯提升；姜耀林等[8]提出了一種基于3D打印的快速精密鑄造工藝，生產產品優異；趙健等[9]使用ProCast對葉輪進行模擬及實際生產分析，認為適當澆注溫度及澆注速度利于鑄件充填，但無法避免縮孔、縮松的產生；何波等[10]在熔模鑄造過程中，模擬探究了葉輪缺陷產生的主要因素，通過正交試驗方法得到最佳生產工藝。采用數值模擬方法實現葉輪鑄造工藝的研究已成為主流，但是，目前鋁合金葉輪在砂型鑄造方面采用數值模擬分析的相關文獻幾乎沒有。

MAGMASOFT鑄造模擬軟件采用有限差分法求解矩形網格上的傳熱問題，能提供鑄件相關特性的精確數據，如充型、凝固、卷氣分布、速度場分布、流道和澆口速率等[11]。目前，應用該軟件的相關研究并不多見。本文結合MAGMASOFT鑄造模擬軟件對鑄件進行工藝優化分析，探究了鑄件缺陷的主要原因，以生產符合要求的優質鑄件。

1 葉輪結構分析

本文所研究的鋁合金葉輪為薄壁零件，其結構見圖1，材料采用ZL114A鋁合金。葉輪重量49 kg，最大直徑920 mm，16片葉片圍繞中間輪轂于上輪蓋與下輪盤之間均勻分布，葉輪葉片呈變截面扭曲形狀，壁厚僅6 mm。葉輪整體要求無裂紋、冷隔及澆不足等穿透類缺陷，縮松、夾渣及針孔缺陷不得超過4級。本葉輪葉片的結構特點，給制模和造型都造成了很大困難，是葉輪中很難鑄造的一種，袁紅利等[12]介紹了用手工砂型鑄造生產該鑄件的方法，型砂采用樹脂砂。

圖1 葉輪實體模型Fig.1 Impeller solid model

2 工藝方案

葉輪結構分析表明，澆注工藝方案應保證葉輪葉片位置金屬液流充型平穩，以保證葉片質量。根據葉輪的結構特點，在生產過程中葉片與上蓋板及輪盤與輪轂接觸的急劇變化的地方容易產生熱節，造成縮孔、縮松缺陷，因此補縮主要針對此兩處位置。

如圖2所示，初步采用兩種澆注工藝方案。方案一為自下而上的充型方式，使金屬液不易飛濺和氧化，設置環形橫澆道與8個內澆口，內澆口旋向與葉片一致，使得8股液流交匯時液流方向與葉片旋向一致，充型穩定，減少金屬液對型腔的沖蝕，順序凝固減少缺陷產生可能性，提高鑄件質量。方案二為頂注式，金屬液于中間輪轂處注入，輪轂對液流的緩沖作用，使充型趨于平穩，同時輪轂處加工余量的設置又保證了其質量。

圖2 鑄造工藝方案Fig.2 Casting process

3 鑄造過程模擬及結果分析

鑄件采用普通砂型鑄造，金屬液的澆注溫度為700 ℃，樹脂砂始溫度為25 ℃，澆注時間11.08 s。

3.1 充型過程分析

通過MAGMASOFT中MateriaTrace對不同時刻充型過程進行分析。方案一的充型過程如圖3所示，當t=3 s時，4個內澆口的金屬液分別匯集，液流順時針充型；當t=6.1 s時，金屬液充滿葉輪型腔底部，并開始由下往上對葉輪葉片平穩充型，直到充型結束。結合圖4，根據充型過程中AirEntrapment卷氣位置結果分析，當t=5 s時，順時針旋轉渦流邊緣有少量卷氣現象產生，隨著充型的進行，卷氣傾向是逐漸減小的；t=11 s時，卷氣位置基本消失?？傮w來說，金屬液于型腔底部相遇，并未產生飛濺、卷氣等現象，充型平穩，可以看出澆注系統的設計是比較合理的。方案二充型過程如圖5所示，金屬流在沖滿輪轂后由大平面通過葉片向下充型，但充型過程并不均勻，如圖4a所示；充型過程到t=10.5 s時，葉片下部及葉輪上蓋板邊緣出現卷氣現象，如圖4b所示。

圖3 方案一充型過程Fig.3 The filling process of program I

圖4 卷氣位置Fig.4 Air entrapment

圖5 方案二充型過程Fig.5 The filling process of programⅡ

3.2 缺陷位置分析

為了進一步分析澆注系統合理性以及確定補縮方案，我們需要對鑄件在凝固過程中產生的縮孔、縮松缺陷進行分析，如圖6所示。分析結果表明，方案一(圖6a)鑄件于葉輪口環及輪轂頂部產生缺陷，主要原因是補縮不夠，解決方案為對葉輪口環及輪轂處設置冒口進行補縮。方案二(圖6b)缺陷主要產生在葉片產生卷氣位置和葉片與上蓋板接觸的熱節部位。

圖6 兩種方案缺陷分布Fig.6 Casting defect distribution

3.3 冒口補縮

通過上述分析，澆注方案一明顯更加合理，我們選擇此方案進行優化設計。

通過對方案一設置冒口，補縮后鑄件缺陷分布如圖7所示，口環及輪轂處的缺陷得以改善，但是仍舊不容樂觀。分析圖8所示不同凝固百分比的溫度場分布，可以得出雖然冒口起到一定補縮作用，但是冒口在凝固過程中冷卻過快，阻塞補縮通道，補縮效果不顯著，因而出現圖6所示缺陷。

圖7 補縮后缺陷位置分布Fig.7 Defect distribution after feeding

圖8 溫度場分布Fig.8 Evolution of temperature field

4 工藝方案改進

考慮到產生缺陷主要原因是口環處冒口設計不合理，對鑄件補縮不夠。改進措施為在口環處冒口加設保溫套，用以延緩冒口內金屬液的凝固，增加冒口的補縮作用。

4.1 凝固過程溫度場分布

通過對改進后的溫度場分析可以發現，隨著凝固過程的進行，鑄件先于最薄的葉片處開始凝固，最后在冒口處結束，滿足順序凝固原則。冒口金屬液的凝固由于保溫套的增加而得以延遲，在凝固過程中彌補了口環處補償不足的問題。圖9為改進后凝固過程中不同凝固百分比的溫度場分布。

圖9 凝固過程溫度場分布Fig.9 Temperature field of solidification process

4.2 改進后缺陷分布

缺陷預測結果如圖10所示?？梢钥闯鲈谠黾颖靥缀罂诃h處的缺陷明顯減少，鑄件內部無明顯縮孔、縮松，說明此工藝方案可行。

圖10 改進后缺陷分布Fig.10 Defect distribution after improvement

5 結論

(1) 設計了一種大型鋁合金葉輪砂型鑄造工藝，模擬分析結果顯示，設計的底注式多個螺旋式內澆口，可以保證金屬液的平穩充型，及充型后鑄件形狀的完整性。

(2)根據凝固過程模擬分析結果，找到了鑄件產生收縮缺陷的部位。根據模擬結果驗證，合理設計冒口并配合保溫套可顯著消除縮孔、縮松缺陷。

(3)澆注結果表明，本文優化設計的鑄造工藝方案可以得到沒有缺陷的優質鑄件。