排气阀铸件的结构、工艺及数值模拟

排气阀铸件的结构如图1所示，其形状为一长杆件，顶部(菌部)为圆台形，采用立式离心铸造方法生产排气阀，采用感应凝壳熔炼(ISM)方法熔炼TiAl基合金，在真空浇注室浇注，整个浇注系统如图2所示。熔体经导向板注入中心浇道，然后充填铸型。铸型采用金属型，排气阀型腔部分采用模具钢，其余部分采用碳钢。铸型的结构采用嵌入式，对分结构，中心浇道的上部略小于下部，可在一定程度上减小熔体的溢出倾向。铸型的底部固定在离心转台上，随转台一同旋转。排气阀水平放置在中心浇道的两侧，熔体从菌部注入。一次浇注两件。

图1  铸件结构图

图2  浇注系统示意图

运用计算方程及其相应开发的软件，对排气阀铸件进行了三维充填及凝固过程数值模拟，首先，由于这一过程较复杂，本文只对铸件部分进行数值模拟，忽略了金属熔体在直浇道中的流动，并且假设在铸件入口处完全充满。根据计算，在入口处熔体以V0=1000mm/s的速度充填，离心铸造旋转台转速w=300r/min，入口距旋转轴的距离是L0=100mm。然后对上述系统进行网格剖分，并且将其带入模拟程序中进行模拟，模拟结果如图3所示，其选取的截面是D-D截面，D-D截面具体位置如图1所示，D-D截面全面反映了熔体流动的全过程，包括充填形式，充填位置，及充填过程温度的变化等。

图3  D-D截面不同时间充填速度分布

图3为排气阀D-D截面充填的速度场，从图中可以看到熔体自入口处进入型腔，然后沿铸型的后壁向前流动，抵达远端后反向充填，反向充填时正反方向的接触面相对速度很大，易形成涡流，熔体反向充填结束时在入口处形成一个封闭的体积．在向前流动的同时，熔体的截面逐渐减少，而且，自由表面发生旋转，这一现象反映在图4当中，图4为充填过程的截面变化及自由表面旋转变化的情况。

图4  熔体不同位置横截面积及自由表面倾角

图5  D-D截面不同时间压力场

在充填过程当中，熔体的相对压力变化如图5所示，熔体在正向充填时压力充填并未体现，体现这一压力充填的过程是从反向充填开始，形成了压力在远端最大，入口处最小的压力梯度。图6为充填过程的温度变化规律，从图中可以看到，熔体在向前流动中温度逐渐降低，形成一个从入口到远端，然后再从远端到入口的凝固顺序，这对补缩不利。

图6  D-D截面不同时间温度场

加上排气阀细长的杆状结构，容易形成缩松缺陷。上述模拟软件在以石蜡作为熔体材料的离心铸造中进行了实际应用，数值模拟运算结果和实验结果吻合。