8-25 特材铸件凝固过程的数值模拟

谢志毅 赵晓平

　　为了预测U-Nb合金铸件凝固过程中产生的缩松缺陷以及特定工艺参数条件下晶粒的形貌与大小，开展了特材铸件凝固过程数值模拟研究。

　　根据实际的工艺流程建立了铸件的几何模型与物理模型，利用有限元数值计算方法，模拟了铸件凝固过程中的流场、温度场、应力场和晶粒结构的分布与变化，并预测了缩松缺陷的出现位置和大小。应力场模拟采用流场、温度场和应力场完全耦合计算，并考虑了气隙的影响。晶粒结构模拟采用CAFE方法，采用连续形核的方法处理液态金属的异质形核现象，采用高斯分布函数描述形核质点密度随过冷度的分布关系，晶粒生长模型考虑枝晶尖端生长动力学和立方晶系金属的优先生长方向<100>晶向。

　　模拟结果表明：采用雨淋式浇注方式时，金属液在充型过程中呈现紊流特征；从温度场来看，铸件以自下而上的顺序凝固方式进行凝固；从应力场来看，铸件从内壁到外壁，应力值递减；在铸件某一高度，铸件晶粒平均半径计算值为60.7μm。图1为铸件固相率与时间的关系曲线，图2为Niyama值取1时预测的缩松缺陷，表1为统计的晶粒大小结果。

表 1 铸件某高度晶粒大小统计结果

　　预测的缩松缺陷出现位置和大小与实验结果相当吻合；铸态晶粒的形貌和大小都存在较大的随机性，但从统计学角度考虑，所预测的结果与实验结果基本一致。