陶瓷型芯注射成型過程的計算機模擬研究

伍林 ， 曾洪 ， 趙代銀 ， 何建 ， 楊照宏 ， 鞏秀芳 ， 楊功顯 ， 葉麗 ， 林雨

（1.長壽命高溫材料國家重點實驗室 東方電氣集團東方汽輪機有限公司， 四川德陽， 618000 2.北京聯迅創成科技有限公司， 北京， 430081）

0 引言

陶瓷型芯是熔模精密鑄造行業用來成型空心鑄件內腔的轉接件。 陶瓷型芯主要采用注射成型方法進行制備， 即將熔化態的陶瓷漿料在一定壓力下注入陶瓷型芯模具中， 待漿料冷卻固化后形成生坯。 注射成型后的陶瓷型芯生坯再經過焙燒、強化、 修整、 檢測等工藝后即可使用。 目前， 對于陶瓷型芯的研究， 多集中于陶瓷粉料的粒度、成分、 質量配比， 以及陶瓷型芯的焙燒、 強化工藝等方面， 研究熱點主要集中于如何提高燒成陶瓷型芯的高溫強度， 減小高溫形變[1-6]， 提高陶瓷型芯工作溫度[7-8]等方面， 對陶瓷型芯的注射成型方面的研究較少。 陶瓷型芯的質量和性能除了取決于陶瓷粉料的配方、 焙燒以及強化等工藝外，還取決于注射成型時制成的生坯質量。 因此， 對陶瓷型芯注射成型過程的研究很有必要。

注射成型過程的計算機模擬技術最早應用于注塑行業， 目前已經進入了實用階段。 而對陶瓷材料的注射成型模擬研究也多集中于金屬粉末注射成型領域。 本文主要基于目前世界上應用最廣泛的Moldflow 軟件， 模擬了某型號燃氣輪機空心透平葉片用陶瓷型芯的注射成型過程， 并預測了成型過程中的缺陷， 對比了平均體積收縮率和尺寸檢測結果， 分析了陶瓷型芯中的石英玻璃棒的應力情況。

1 陶瓷型芯結構

某型號燃機空心透平葉片用陶瓷型芯的結構如圖1 所示。 該陶瓷型芯整體呈 “S” 形結構， 包含7 個加強筋 （中部5 個， 石英玻璃棒兩側各1個）， 中部和頂部由 1 根 φ2 mm 的柱子和 1 段極其薄弱的截面類似三角形的結構連接。

圖1 某型號燃機空心透平葉片用陶瓷型芯結構圖

2 模擬設置

本文采用的計算機模擬的主要參數設置及材料性能如圖2~5 所示。

圖2 陶瓷漿料的黏度曲線

圖3 陶瓷漿料的PVT 曲線

圖4 陶瓷漿料的熱屬性

3 模擬結果

3.1 充模

充模效果是否良好是評判注射成型的最重要標準。 在充模良好的情況下， 才能考慮改變其他工藝變量以提高制件質量。 圖6 是在采用圖5 推薦工藝的條件下選擇注射流量為75 cc/s、 注射壓力為3.5 MPa 時的計算機模擬充型結果。 由圖可見， 陶瓷漿料能平穩地充滿陶瓷型芯模具模腔，最后充填部位處于排氣側靠近頂部的位置。 圖7是采用與圖6 相同的注射工藝進行短射試驗得到的結果， 該圖中a~h 對應于圖6 中的a~h。 對比圖6 和圖7 可以看出， 計算機模擬的結果和實際短射試驗的結果的吻合程度很高， 但實際注射的時間上要較計算機模擬的時間長約0.5 s， 這是由于壓芯機的液壓注射系統需要一定的反應時間造成的。

圖5 陶瓷漿料的推薦壓注工藝

圖6 注射流量為75 cc/s、 注射壓力為3.5 MPa 時陶瓷型芯的充模模擬

圖7 注射流量為75 cc/s、 注射壓力為3.5 MPa 時陶瓷型芯的短射試驗

3.2 缺陷預測

3.2.1 熔接線

不同料流前沿交叉匯合時會形成熔接線（亦稱熔接痕）。 制件產生熔接線的部位， 其強度取決于料流互相熔合的程度， 通常為制件基體材料強度的10%~90%[9]， 因此熔接線應盡量位于制件厚大部位或非關鍵部位。 本文的研究對象存在七處加強筋， 這些加強筋起到了輔助充模的作用， 同時也增加了陶瓷漿料在模具型腔內融合位置的數量。圖6 中共出現了7 處陶瓷漿料融合位置， 這些位置將形成熔接線。 圖8 是Moldflow 模擬得到的注射流量為75 cc/s、 注射壓力為3.5 MPa 時形成的熔接線位置， 從圖中可以看出， 形成的熔接線都位于陶瓷型芯的厚大部位， 不會對陶瓷型芯的使用強度帶來太大影響。

圖8 陶瓷型芯在充模時形成的熔接線

3.2.2 氣穴

如果模具排氣效果不好， 在注射過程中， 模具內的空氣不能及時排出， 則會被卷入陶瓷漿料中形成氣穴。 氣穴的形成會降低這些部位的性能，給陶瓷型芯的質量帶來不利影響。 圖9 是Moldflow 模擬得到的注射流量為75 cc/s、 注射壓力為3.5 MPa 時形成的氣穴位置， 圖10 是陶瓷型芯的x 射線檢測結果。 對比圖9~10 可以發現， Moldflow 對該陶瓷型芯的氣穴缺陷的預測準確率達50%， 這是由于實際的模具中會存在許多鑲塊間隙， 陶瓷漿料注射時， 這些間隙可以輔助排氣。由于這些氣穴均處于該陶瓷型芯的非薄弱部位，并不會給陶瓷型芯的使用帶來問題。

圖10 陶瓷型芯的x 射線檢測結果

3.2.3 收縮和尺寸

注射成型過程中， 由于材料的冷卻固化收縮將造成尺寸的變化： 均勻收縮造成產品尺寸縮小，不均勻收縮將造成翹曲變形。 由于在陶瓷型芯的實際注射成型后， 生坯均是在模具中冷卻或在胎具上用沙袋重壓冷卻， 因此其變形很小， 尺寸變化主要體現在收縮。 圖11 是Moldflow 模擬的陶瓷型芯注射成型過程中的平均體積收縮結果和實際壓制的陶瓷型芯的藍光尺寸掃描結果。 （a）圖中顏色越接近紅色代表收縮越嚴重，（b） 圖中尺寸越接近深藍色代表尺寸的負值越大。 從圖中可以看出，該陶瓷型芯的整體尺寸較理論設計值小， 具體表現為陶瓷型芯的各部位均有一定程度收縮， 尤其在陶瓷型芯的根部和進氣側的收縮程度明顯較其他部位嚴重。 在Moldflow 模擬出平均體積收縮率較大的地方， 陶瓷型芯的尺寸表現出較大的負值（即尺寸小于理論值）， 平均體積收縮率較小的地方， 尺寸表現出較小的負值， 兩者對應性較好。

圖11 陶瓷型芯的計算機模擬平均體積收縮率和藍光檢測結果

3.3 石英玻璃棒的應力

采用石英玻璃棒成型該陶瓷型芯頂部柱狀結構， 就需要分析該石英玻璃棒在陶瓷型芯的注射成型過程中的受力情況， 以便為選定性能合格的石英玻璃棒提供理論支持， 防止用于壓制陶瓷型芯的石英玻璃棒在使用時發生斷裂。 石英玻璃棒在模具中的定位是靠模具的上下半模來固定石英玻璃棒露出陶瓷型芯的部分。

圖12 是在采用上述注射工藝下石英玻璃棒的應力情況， 顏色越接近紅色代表應力越大， 顏色越接近深藍色代表應力越小。 由圖可見， 石英玻璃棒的最大應力為3.124 MPa， 最大應力發生在石英玻璃棒的固定位置附近， 距離固定位置越遠的部位所受應力越小。 一般說來， 石英玻璃棒的抗折強度為60~70 MPa， 因此采用石英玻璃棒來成型該圓柱時， 不會發生由于注射工藝不當而造成石英玻璃棒損壞的情況。

表1 是在不同注射壓力和注射流量下石英玻璃棒的應力模擬結果。 由表可知， 當注射壓力一定（3.5 MPa），注射流量分別為 75 cc/s、 100 cc/s、120 cc/s （此3 種流量代表了該陶瓷型芯壓制常用的低、 中、 高3 種注射流量）時， 石英玻璃棒所受最大應力分別為 3.13 MPa、 3.79 MPa、 4.13 MPa，石英玻璃棒所受最大應力隨著注射流量的增大而增大。 當注射流量一定 （75 cc/s）， 注射壓力分別為 2.5 MPa、 3.5 MPa、 4.5 MPa 時， 石英玻璃棒所受最大應力均為3.13 MPa， 石英玻璃棒所受最大應力不會隨著注射壓力的增大而變化。 這是由于在陶瓷型芯的注射過程中， 注射流量相同時， 陶瓷漿料的流速一致， 充型時間也一樣， 陶瓷漿料流過石英玻璃棒時對石英玻璃棒的沖擊力大小基本一致， 所以石英玻璃棒所受應力相同。 在冷卻過程中， 由于漿料粘度很大， 且冷卻較快， 注射壓力在模具型腔中難以通過漿料傳遞到石英玻璃棒上； 且由于石英玻璃棒呈圓柱結構， 使其所受因陶瓷型芯冷卻收縮產生的應力極小，所以在流量相同的情況下，石英玻璃棒上所受應力幾乎不變。

表1 不同注射壓力和注射流量下陶瓷型芯中石英玻璃棒所受的最大應力

4 結論

本文采用Moldflow 軟件對某燃機透平葉片熔模精密鑄造用陶瓷型芯的注射成型過程進行仿真研究， 結果表明： Moldflow 可以準確模擬該陶瓷型芯的充模過程， 預測熔接線和氣穴的位置， 模擬得到的該陶瓷型芯的平均收縮率與實際尺寸檢測結果有很好的對應性； 陶瓷型芯中的石英玻璃棒所受最大應力隨著注射流量的增大而增大， 不會隨著注射壓力的變化而變化。