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铁型覆砂铸造ZL205A铝合金筒形件残余应力及组织性能研究

【摘要】:ZL205A合金是我国自主研发最高强度的铸造铝合金。该合金密度小、比强度高,且具有较好的耐腐蚀性和较高的韧性,广泛应用于航空航天领域。筒形舱体铸件是航空航天飞行器的关键受力结构件,其尺寸巨大,结构复杂,力学性能要求高。本文以ZL205A筒形铸件为研究对象,针对金属型铸造残余应力过大,利用铁型覆砂工艺进行铸造,旨在减小铸件残余应力的同时也保证铸件有较小的晶粒尺寸和较好的力学性能。本文采用多通道温度采集仪、钻孔法、X射线衍射法、偏光显微镜、扫描电镜和拉伸实验等检测方法,研究了覆砂厚度对铸件铸造残余应力、凝固冷却过程、晶粒大小、组织形貌和力学性能等的影响机制;通过数值模拟研究铁型覆砂铸造铸件的温度场、应力场和收缩变形量的变化规律,并与实际浇注结果相结合考察了覆砂厚度不同时覆膜砂Von Mises模型和Mohr-Coulomb模型的适用性,为合理预测铁型覆砂铸造残余应力提供参考。主要结果如下:(1)金属型铸造筒形件,铸件周向残余正应力较大,铁型覆砂工艺能有效减少筒形铸件周向残余正应力。当覆砂厚度达到7mm时应力集采集点铸件周向残余正应力值从金属型铸造的134.3MPa降低至50.4MPa,减少了约62%;覆砂厚度大于7mm后,残余应力继续减小,但幅度较小;覆砂厚度增加至全砂砂芯时铸件应力采集点周向残余正应力降至30.1MPa。(2)覆砂厚度的增加会降低铸件冷却速度。覆砂厚度为0mm、4mm、7mm、10mm和全砂砂芯时铸件平均凝固冷却速度分别为7.59℃/s、4.76℃/s、3.93℃/s、3.73℃/s、2.01℃/s,ZL205A合金晶粒度等级分别为7级、6级、5级、5级、4级,晶粒逐渐变大。虽然全砂砂芯铸造残余应力最小,但相比覆砂铸造全砂砂芯铸造时冷速下降严重,晶粒尺寸粗大,晶界二次相呈粗大且连续状。(3)金属型铸造时铸件表面出现热裂纹,随覆砂增厚铸件热裂倾向得到改善。利用铁型覆砂铸造消减铸造应力时,需考虑铸件的综合性能。覆砂厚度为7mm时铸件的残余应力、晶粒尺寸、热裂倾向均较小,铸态抗拉强度和延伸率为各组铸件中最高,分别为6.7%和207MPa,铸件综合力学性能最佳。(4)数值模拟结果与实际浇注情况吻合。相比金属型铸造,铁型覆砂铸造铸件最后凝固的位置从铸件壁厚中心部向砂层偏移,减小了铸件壁厚中心处的拉应力。随覆砂厚度增加,各组铸件薄壁处径向收缩变化较小,而与其对称的厚壁处径向收缩量增长幅度大。利用Von Mises模型计算的应力结果与实验趋势基本吻合,但覆砂厚为4mm时Von Mises模型出现偏差。针对不同砂层厚度的力学性能研究表明:覆砂厚度越小,砂型抗压强度受围压影响越大。Mohr-Coulomb模型加入围压进行修正,覆砂厚为4mm时应力计算偏差小,但随着覆砂厚度的增加,此模型偏差加大。综上,利用数值模拟的方法预测铸造残余应力时,可根据覆砂厚度来选择合适的砂型力学模型,以保证较为准确计算结果。

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