熔模精鑄型殼預熱轉移過程溫度場及換熱規律研究

鄭行，郝新，閆彬，劉國懷，王曄，郭釗，王昭東

熔模精鑄型殼預熱轉移過程溫度場及換熱規律研究

鄭行1，郝新1，閆彬1，劉國懷2，王曄3，郭釗1，王昭東2

（1. 中國航發南方工業有限公司，湖南 株洲 412002；2. 東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室，沈陽 110819；3. 哈爾濱理工大學 材料科學與工程學院，哈爾濱 150008）

為了獲得不同工藝條件對高溫合金熔模鑄造型殼在預熱及轉移過程中溫度分布的影響規律。根據實際工況設計了測溫實驗方案，采用熱電偶測溫的方法研究型殼在無保溫措施、外加保溫棉、填砂以及保溫棉復合填砂4種工藝條件下對型殼在預熱及轉移過程中溫度分布的影響。獲得了型殼升溫、保溫和轉移過程中的溫度場變化曲線，并根據實際測溫曲線采用ProCAST的反算模塊對關鍵位置的界面換熱系數進行了計算。型殼外加保溫材料后導致升溫時間范圍從原本的1.5 h升高到2.5～5.6 h，同時冷卻時間也隨之增加。在轉移過程中，外部材料的換熱方式均從自然對流轉變為強制對流，換熱強度增大，靜置于鑄型室后，換熱方式恢復至穩定的自然對流方式，界面換熱系數趨于穩定，且冷卻曲線呈線性降低。

熔模精鑄；高溫合金；型殼預熱；界面換熱系數；溫度測量

高溫合金鑄件在熔模鑄造過程中常出現的縮松和縮孔等缺陷會嚴重損害鑄件的質量和合格率，而通過實驗試制的方法予以消除則又會造成極大的資源浪費，因此，通過數值模擬方法精確再現熔模精鑄的凝固過程，對縮松和縮孔等缺陷的預測顯得極為重要。根據ProCAST軟件提供的鑄件縮松和縮孔缺陷分析模塊以及相應的判據，就可以準確地判斷鑄件中產生液相孤立區的位置和大小，并根據計算結果預測出高溫合金各類航空零件熔模精鑄過程中形成的縮松和縮孔缺陷[1-4]。此外熔模精鑄過程中型殼的預熱溫度以及澆注時的溫度分布不僅對高溫合金熔體的充型、凝固初期的溫度分布極為重要，對終成零件的質量控制也非常關鍵[5-9]，然而，由于型殼在澆注之前需要從焙燒爐轉運至鑄型室中并進行抽真空處理，該過程中型殼的溫度變化往往是未知的，這導致澆注工藝參數中重要影響因素之一的型殼溫度在設置時常常無據可循。在實際生產過程中，型殼的預熱溫度和保溫工藝只能憑借經驗進行設計；另一方面，通過數值模擬獲得的熔模精鑄過程中鑄件準確的缺陷位置和大小，型殼的溫度信息和冷卻規律也同樣至關重要，因此需要對不同保溫工藝條件下型殼在預熱及轉移過程中的溫度分布規律進行實際測溫研究。

由于在實際鑄件的生產過程中，高溫合金必須在真空環境下進行熔煉和澆注，受到設備限制而難以進行冷卻曲線的測量，一般采取的測量方式有2種：紅外線測量方法和熱電偶測量方法。紅外線測量作為常用測溫方法，其優點在于可通過不接觸被測物體進行直接測量，但由于其測量的溫度僅僅為被測物的表面溫度，因此測量誤差比較大；采用熱電偶對實際鑄件各個特征位置進行時間-溫度曲線的測量，需要將熱電偶從真空室內引出室外，這對設備密封性能提出了極高的要求，而測溫熱電偶還將隨著鑄件的凝固而殘留在鑄件中，一般會直接造成鑄件報廢，造成時間、人力以及物料的浪費[10-12]，但熱電偶測量獲得的溫度相較于紅外線測量法更為準確，因此在研究過程中，文中通過改造真空熔煉爐和設計物理模擬鑄件進行測量的方式來替代對實際鑄件進行的測量實驗。

通過對物理模擬鑄件進行實際工況下的測溫，文中分析研究了型殼在保溫棉、保溫砂以及保溫棉復合保溫砂等保溫工藝條件下型殼、型腔、保溫材料以及外部材料的溫度隨時間的變化規律，以期對高溫合金精鑄件的型殼預熱和保溫工藝提供相應的理論支撐。

1 熔模精鑄特征鑄件設計及測溫實驗

1.1 特征鑄件設計及其制備

如前所述，直接對實際鑄件進行測溫不僅會導致熱電偶插入位置發生漏鋼，同時型腔內插入的熱電偶也會與鑄件焊合并導致鑄件報廢，因此文中通過設計特征鑄件進行物理模擬實驗[13]，首先對大量實際高溫合金熔模精鑄導向器鑄件的特征結構和常見的幾類缺陷進行分析，其結果表明，導向器的葉片、截面尺寸突變的部位、頂部的冒口形狀以及導向器中存在的孔類結構是影響鑄件成形質量的關鍵，因此在物理模擬鑄件的設計過程中，按照比例對這幾種結構進行復刻，所設計的特征鑄件截面形狀及其尺寸如圖1a所示，特征鑄件的厚度為40 mm。同時為了保證測溫時，型腔內的熱電偶與型殼上的熱電偶互不干擾，采用一箱兩件的方案進行特征鑄件及其澆注系統的蠟模模組制備，澆注系統的設計尺寸與實際精鑄導向器鑄件的直澆道、橫澆道和內澆道完全一致，特征鑄件及其澆注系統的三維數模、特征鑄件的蠟模以及最終獲得的型殼分別如圖1b-e所示。

1.2 測溫實驗設計及測量過程

根據實際生產工藝過程中采用的4種型殼預熱方案設置了4組測溫實驗，分別為：① 型殼空殼預熱工藝溫度曲線測定；② 型殼包棉預熱工藝溫度曲線測定；③ 型殼填砂預熱工藝溫度曲線測定；④ 型殼包棉、填砂造型工藝溫度曲線測定。根據設置的4組實驗，針對特征鑄件上的關鍵結構進行測溫，采用在型殼上鉆取測溫孔的方式將熱電偶插入預設位置，并用細砂進行封填。為了避免測量偏差并保證所有測量熱電偶的位置保持一致，鉆孔和熱電偶插入作業均由同一操作員進行，并通過X光檢查熱電偶位置。如前所述，型殼內腔與型殼的測溫分別在對稱布置的2個型殼上進行，具體的測溫位置如圖2a所示。型殼內腔中的熱電偶位置由圖2a中黑色圓點標示位置給出，所有熱電偶均插入內腔20 mm的深度，并位于鑄件厚度方向的中線上。型殼上所設置的熱電偶位置與內腔中的熱電偶相對應，具體分布位置如圖2a中的紅色圓點所示，所有的實驗均采用N型熱電偶進行測溫。實際測溫過程中型殼上的熱電偶分布位置如圖2b所示。

圖2c和2d則分別給出了型殼包棉以及型殼包棉復合填砂2組測溫實驗過程中的預熱和轉移過程，操作過程中焙燒爐和真空爐的擺放位置、預熱溫度（1500 ℃）、開爐時間（10 s）、型殼轉移時間（120 s）均嚴格按照實際生產過程進行。同時，測量過程中專門安排一名操作員對測溫設備進行實時監測，以保證傳輸數據的可靠和準確性。

圖1 特征鑄件的關鍵尺寸、三維數模、澆注系統設計、蠟模以及制備的型殼

圖2 測溫點及熱電偶的位置分布和測溫過程

1.3 界面換熱系數反算求解過程

采用商業化軟件Soildworks和ProCAST分別對特征鑄件進行建模和有限元網格的劃分，利用獲得的測溫數據和ProCAST軟件提供的反算求解模塊，對特征鑄件關鍵位置的界面換熱系數進行反算求解計算。由于在型殼轉移和冷卻過程中，界面換熱系數可以看作時間的函數[14-15]，因此反算過程中將時間作為自變量進行界面換熱系數的求解。

2 結果與討論

實際測溫實驗中熱電偶的測溫位置如圖3所示，不同工藝條件下測溫點與測量通道編號的對應關系如表1所示。實際測量獲得的型殼、型殼包棉以及型殼包棉復合填砂的預熱、保溫、轉移和冷卻過程中各個關鍵位置溫度數據的測量結果分別如圖4a—d所示。顯然在沒有任何保溫措施時，型殼各個關鍵位置在加熱和冷卻過程中的溫度場相差并不大。對不同工藝條件下的測溫曲線進行觀察時，還可以發現與型殼測溫位置對應的型腔溫度在整個預熱升溫與轉移冷卻的過程中與該處的型殼溫度相差比較小，根據這一結果可以推斷出，在轉移的過程中型腔內部空氣的流動比較平緩，強制對流的狀態非常不明顯。

圖3 實際測溫實驗中熱電偶的測溫位置及編號

表1 4種工藝條件下測溫點與測量通道編號的對應關系

根據圖4b給出的型殼包棉焙燒預熱升溫與轉移過程的測溫結果可以看出，施加保溫棉措施后，型殼各個特征位置均處于均勻厚度的保溫棉包裹之下，這導致轉移冷卻過程中各關鍵位置的溫度分布差別不大。同時受到保溫措施的影響，型殼的升溫和冷卻時間也明顯長于第1組的工藝過程，在實際工藝規定的2 h保溫時間內未能達到1050 ℃的預熱溫度，而冷卻1.5 h之后各測溫點溫度仍高于400 ℃。同樣的現象在圖4c和4d給出的測溫曲線中更加明顯，這表明在實施保溫措施后，型殼預熱時間和冷卻時間均會增加，且隨著保溫效果的提高，預熱和冷卻時間逐漸延長。最后一組工藝條件下，型殼加熱5.6 h才能達到設定預熱溫度。

隨著保溫效果的提高，型殼在冷卻的初始階段溫度隨時間的變化逐漸趨于平緩，這表明在型殼從焙燒爐中取出并轉移至鑄型室的過程中，雖然外部環境的變化和型殼的位移使其周邊的空氣對流狀態由自然對流轉變為強制對流，但保溫材料能夠很好地將強制對流的空氣與型殼隔絕，使型殼各關鍵位置在轉移過程中的溫度變化更加平穩和緩慢。值得注意的是，在復合填砂2組工藝條件的冷卻過程中，隨著冷卻時間的延長，型殼上各關鍵位置之間的溫度差值逐漸變大，這是由于型殼各關鍵位置外部的保溫砂厚度不同。

根據實際測溫結果和特征鑄件型殼及保溫材料的三維數模，對不同工藝條件下型殼以及保溫材料各關鍵位置處的界面換熱系數進行了反算求解，其中與空氣接觸的界面為對流換熱系數，各個材料互相接觸的界面為傳導換熱系數。4種工藝條件下反算獲得的各關鍵位置界面換熱系數結果分別如圖5a—d所示。

圖4 不同工藝條件下測量獲得的溫度-時間變化曲線

圖5 不同工藝條件下的界面換熱系數隨時間變化曲線

界面換熱系數的反算結果表明，在型殼及其保溫材料移出焙燒爐進行轉移的過程中，外部空氣流動速率較保溫時加劇，換熱方式從自然對流變為強制對流狀態，因此整體材料的熱量散失加快，導致以熱傳導為基礎的界面換熱系數也出現了增長的趨勢。轉運結束并靜置于鑄型室中冷卻時，空氣流動狀態恢復至沒有擾動的情況，換熱效率下降，各材料之間的溫差逐漸減小，各個關鍵位置的界面換熱系數趨于穩定并接近理論值。值得注意的是，型殼和內腔的對流換熱系數無論是在轉運階段，還是在冷卻階段均未發生改變，始終為常數（10 W/(m2·K)），這也表明內腔空氣的流動沒有受到外部環境變化的影響，并始終保持自然對流的狀態。

3 結論

通過對設計的4組工藝條件下型殼、保溫材料各關鍵位置溫度曲線進行測量，并根據測量結果進行反算獲得的關鍵位置界面換熱系數，獲得了如下的結論。

1）在升溫階段，型殼外加保溫材料會導致升溫時間大量延長，保溫材料越多、保溫效果越好、升溫時間就越長，對于型殼包棉加外置砂箱復合填砂的工藝而言，若要達到工藝要求，加熱時間應延長至6 h以上。

2）在轉移過程中，無論是否為連續過程，外部材料的換熱方式均從自然對流轉變為強制對流方式，換熱強度增大，放置在鑄型室后，換熱方式恢復至穩定的自然對流方式，冷卻曲線呈線性降低。

3）型殼內腔空氣的流動方式在預熱、轉移和冷卻過程中均不受外部環境變化的影響，始終保持自然對流的狀態，型殼與內腔空氣之間的對流換熱系數始終為常數（10 W/(m2·K)）。

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Temperature Field and Heat Transfer Regularity of Investment Casting Mold Shell during Preheating and Transfer

ZHENG Hang1, HAO Xin1,YAN Bin1, LIU Guo-huai2, WANG Ye3, GUO Zhao1, WANG Zhao-dong2

(1. AECC South Industry Company Limited, Zhuzhou 412002, China; 2. State Key Laboratory of Rolling and Automation, Northeastern University, Shenyang 110819, China; 3. School of Materials Science and Engineering, Harbin University of Science and Technology, Harbin 150008, China)

The work aims to obtain the influence laws of different technological conditions on the temperature distribution of high-temperature alloy investment casting mold shell during preheating and transfer. The temperature measurement schemes were designed according to the actual operating conditions. Thermocouple temperature measurement method was used to study the effect on temperature distribution of mold shell during preheating and transfer under four technological conditions of no insulation measures, addition of insulation cotton, sand filling and composite sand filling with insulation cotton. The variation curves of temperature field were obtained during the process of heating, heat preservation and transfer of mold shell. In addition, the interface heat transfer coefficients of the key structure were calculated by the inverse model of ProCAST according to the actual temperature measurement curve. The results showed that adding insulation materials to the mold shell led to an increase in the temperature range from 1.5 h to 2.5-5.6 h, and the cooling time also increased. During the transfer process, the heat transfer mode of external materials changes from natural convection to forced convection, and the heat transfer intensity increases. After the mold shell is placed in the mold chamber, the heat transfer mode returns to a stable natural convection mode, the interface heat transfer coefficient tends to be stable, and the cooling curve decreases linearly.

investment casting; superalloy; preheating of mold shell; interface heat transfer coefficient; temperature measurement

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.01.017

TG249.3；TG245

A

1674-6457(2022)01-0141-06

2021-06-10

鄭行（1989—），男，碩士，工程師，主要研究方向為高溫合金精密鑄造成形與制備。

王曄（1984—），男，博士，講師，主要研究方向為精密鑄造過程數值模擬與工藝設計優化。