复杂钛合金铸件立式离心铸造充型过程流体运动行为定量化表征及数值模拟研究

The vertical centrifugal casting is an important near shape manufacture technique for shape titanium part. In vertical centrifugal casting of titanium, the filling melt is easy to become mixed gas-fluid flow by role of coupled multiple complex force field, then form defect of gas hole, entrapment and etc. inside casting. So, in this research, the quantitative foundation experiment research on fluid motion behavior of vertical centrifugal filling process in high speed rotation is proposed to explore the form mechanism of defect and improve accuracy of numerical simulation of this casting process. Firstly, similar criterion of physical simulation in vertical centrifugal filling process of shape titanium casting is researched and quantitative measurement equipment and physical simulation platform are innovatively designed. Secondly, the 3D shape of flow and pressure distribution of gas-liquid fluid in filling process is obtained base on 3D reconstruction and wireless communication technology. Finally, quantitative data model of melt motion behavior in mold is established to modify the mathematical model of filling process and develop numerical simulation system. This research could help understand form mechanism of gas hole, entrapment and etc. defects and improve accuracy of numerical simulation in vertical centrifugal process of shape titanium casting. The achievement of this research will provide the theoretical guidance and scientific basis for optimization design in the vertical centrifugal casting.

立式离心铸造是复杂钛合金零件一种重要的整体成形技术,其充型过程合金熔体在多种复杂力场耦合作用下形成的剧烈紊乱的气-液混合流易使铸件产生气孔和夹渣等缺陷。为此，本研究针对高速旋转工艺条件下的离心铸造充型过程流体运动行为进行定量化基础实验研究，以探明其充型缺陷形成的机理以及提高其数值模拟的准确度。首先研究了复杂钛合金铸件立式离心铸造物理模拟的相似性准则，创新性地设计出定量化测量装置和物理模拟平台；其次，结合三维重构技术和无线传输技术，获得物理模拟实验过程中充型流体的三维形貌和气-液两相流体压力分布；最后，建立离心铸造过程钛合金熔体在型腔中流动行为的定量化表征模型，修正充型过程数学模型并进行数值模拟系统的研发。该研究将有助于探明复杂钛合金铸件立式离心铸造气孔、夹渣等缺陷的形成机理，并有效提高充型过程数值模拟的准确度，项目成果将为复杂钛合金铸件立式离心铸造充型过程工艺优化设计提供理论和实践指导。

立式离心铸造是复杂钛合金零件一种重要的整体成形技术，其充型过程合金熔体在多种复杂力场耦合作用下形成的剧烈紊乱的气-液混合流易使铸件产生气孔和夹渣等缺陷。然而，实际钛合金铸件立式离心铸造充型过程通常是在真空环境封闭不透明的模壳型腔中完成，目前的实验设备难以对金属流体充型直接观察，因此，尚缺乏更准确和全面描述真实物理过程的基础实验数据，这也使得铸造模拟仿真技术对立式离心精密铸造充型过程的模拟精度相对较低，对于其铸造充型工艺优化设计的指导意义有限。为此，本研究以物理模拟方法为切入点，对高速旋转工艺条件下的离心铸造充型过程流体运动行为进行定量化基础实验研究；再结合数值模拟技术进一步探明缺陷形成的机理。在物理模拟的定量化表征方面，首先自主搭建了一套具有定量物理数据测量能力的立式离心铸造物理模拟平台；其次，通过推导钛合金离心铸造的相似性准则，配置了不同粘度的实验流体和设计了多类型浇道可拆卸实验模具；再次，通过高速摄像机拍摄系统，获得了不同参数（旋转速度、流体粘度、浇注速度等）条件下流体填充进入模具型腔的动态前沿形貌和填充次序的数据；最后，通过安装薄膜压力传感器和示踪粒子PTV拍摄方法，获得了流体在填充型腔时与壁面的相互作用力以及粒子随着流体运动填充的量化数据。通过数据分析，解释了流体在重力和离心力双重作用下流体对型壁的冲刷效应、前沿紊流和以旋转轴为中心的规则圆弧状的物理现象。在数值模拟方面，结合量化数据，采用更精确的数学模型和自由表面算法，提高了数值模拟的精度。并以钛合金机匣铸件为例，借助模拟结果进一步明确了充型流体在复杂型腔中的流动特征和充型次序，并分析了可能产生的充型缺陷，从而有助于实现对工艺参数的优化。本研究成果将为研究钛合金复杂铸件立式离心铸造充型过程流体运动行为规律、提高数值模拟的深度应用以及通过工艺参数调整控制缺陷提供数据支持和理论支撑。