熔模精铸型壳预热转移过程温度场及换热规律研究

郑行，郝新，闫彬，刘国怀，王晔，郭钊，王昭东

熔模精铸型壳预热转移过程温度场及换热规律研究

郑行1，郝新1，闫彬1，刘国怀2，王晔3，郭钊1，王昭东2

（1. 中国航发南方工业有限公司，湖南 株洲 412002；2. 东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室，沈阳 110819；3. 哈尔滨理工大学 材料科学与工程学院，哈尔滨 150008）

为了获得不同工艺条件对高温合金熔模铸造型壳在预热及转移过程中温度分布的影响规律。根据实际工况设计了测温实验方案，采用热电偶测温的方法研究型壳在无保温措施、外加保温棉、填砂以及保温棉复合填砂4种工艺条件下对型壳在预热及转移过程中温度分布的影响。获得了型壳升温、保温和转移过程中的温度场变化曲线，并根据实际测温曲线采用ProCAST的反算模块对关键位置的界面换热系数进行了计算。型壳外加保温材料后导致升温时间范围从原本的1.5 h升高到2.5～5.6 h，同时冷却时间也随之增加。在转移过程中，外部材料的换热方式均从自然对流转变为强制对流，换热强度增大，静置于铸型室后，换热方式恢复至稳定的自然对流方式，界面换热系数趋于稳定，且冷却曲线呈线性降低。

熔模精铸；高温合金；型壳预热；界面换热系数；温度测量

高温合金铸件在熔模铸造过程中常出现的缩松和缩孔等缺陷会严重损害铸件的质量和合格率，而通过实验试制的方法予以消除则又会造成极大的资源浪费，因此，通过数值模拟方法精确再现熔模精铸的凝固过程，对缩松和缩孔等缺陷的预测显得极为重要。根据ProCAST软件提供的铸件缩松和缩孔缺陷分析模块以及相应的判据，就可以准确地判断铸件中产生液相孤立区的位置和大小，并根据计算结果预测出高温合金各类航空零件熔模精铸过程中形成的缩松和缩孔缺陷[1-4]。此外熔模精铸过程中型壳的预热温度以及浇注时的温度分布不仅对高温合金熔体的充型、凝固初期的温度分布极为重要，对终成零件的质量控制也非常关键[5-9]，然而，由于型壳在浇注之前需要从焙烧炉转运至铸型室中并进行抽真空处理，该过程中型壳的温度变化往往是未知的，这导致浇注工艺参数中重要影响因素之一的型壳温度在设置时常常无据可循。在实际生产过程中，型壳的预热温度和保温工艺只能凭借经验进行设计；另一方面，通过数值模拟获得的熔模精铸过程中铸件准确的缺陷位置和大小，型壳的温度信息和冷却规律也同样至关重要，因此需要对不同保温工艺条件下型壳在预热及转移过程中的温度分布规律进行实际测温研究。

由于在实际铸件的生产过程中，高温合金必须在真空环境下进行熔炼和浇注，受到设备限制而难以进行冷却曲线的测量，一般采取的测量方式有2种：红外线测量方法和热电偶测量方法。红外线测量作为常用测温方法，其优点在于可通过不接触被测物体进行直接测量，但由于其测量的温度仅仅为被测物的表面温度，因此测量误差比较大；采用热电偶对实际铸件各个特征位置进行时间-温度曲线的测量，需要将热电偶从真空室内引出室外，这对设备密封性能提出了极高的要求，而测温热电偶还将随着铸件的凝固而残留在铸件中，一般会直接造成铸件报废，造成时间、人力以及物料的浪费[10-12]，但热电偶测量获得的温度相较于红外线测量法更为准确，因此在研究过程中，文中通过改造真空熔炼炉和设计物理模拟铸件进行测量的方式来替代对实际铸件进行的测量实验。

通过对物理模拟铸件进行实际工况下的测温，文中分析研究了型壳在保温棉、保温砂以及保温棉复合保温砂等保温工艺条件下型壳、型腔、保温材料以及外部材料的温度随时间的变化规律，以期对高温合金精铸件的型壳预热和保温工艺提供相应的理论支撑。

1 熔模精铸特征铸件设计及测温实验

1.1 特征铸件设计及其制备

如前所述，直接对实际铸件进行测温不仅会导致热电偶插入位置发生漏钢，同时型腔内插入的热电偶也会与铸件焊合并导致铸件报废，因此文中通过设计特征铸件进行物理模拟实验[13]，首先对大量实际高温合金熔模精铸导向器铸件的特征结构和常见的几类缺陷进行分析，其结果表明，导向器的叶片、截面尺寸突变的部位、顶部的冒口形状以及导向器中存在的孔类结构是影响铸件成形质量的关键，因此在物理模拟铸件的设计过程中，按照比例对这几种结构进行复刻，所设计的特征铸件截面形状及其尺寸如图1a所示，特征铸件的厚度为40 mm。同时为了保证测温时，型腔内的热电偶与型壳上的热电偶互不干扰，采用一箱两件的方案进行特征铸件及其浇注系统的蜡模模组制备，浇注系统的设计尺寸与实际精铸导向器铸件的直浇道、横浇道和内浇道完全一致，特征铸件及其浇注系统的三维数模、特征铸件的蜡模以及最终获得的型壳分别如图1b-e所示。

1.2 测温实验设计及测量过程

根据实际生产工艺过程中采用的4种型壳预热方案设置了4组测温实验，分别为：① 型壳空壳预热工艺温度曲线测定；② 型壳包棉预热工艺温度曲线测定；③ 型壳填砂预热工艺温度曲线测定；④ 型壳包棉、填砂造型工艺温度曲线测定。根据设置的4组实验，针对特征铸件上的关键结构进行测温，采用在型壳上钻取测温孔的方式将热电偶插入预设位置，并用细砂进行封填。为了避免测量偏差并保证所有测量热电偶的位置保持一致，钻孔和热电偶插入作业均由同一操作员进行，并通过X光检查热电偶位置。如前所述，型壳内腔与型壳的测温分别在对称布置的2个型壳上进行，具体的测温位置如图2a所示。型壳内腔中的热电偶位置由图2a中黑色圆点标示位置给出，所有热电偶均插入内腔20 mm的深度，并位于铸件厚度方向的中线上。型壳上所设置的热电偶位置与内腔中的热电偶相对应，具体分布位置如图2a中的红色圆点所示，所有的实验均采用N型热电偶进行测温。实际测温过程中型壳上的热电偶分布位置如图2b所示。

图2c和2d则分别给出了型壳包棉以及型壳包棉复合填砂2组测温实验过程中的预热和转移过程，操作过程中焙烧炉和真空炉的摆放位置、预热温度（1500 ℃）、开炉时间（10 s）、型壳转移时间（120 s）均严格按照实际生产过程进行。同时，测量过程中专门安排一名操作员对测温设备进行实时监测，以保证传输数据的可靠和准确性。

图1 特征铸件的关键尺寸、三维数模、浇注系统设计、蜡模以及制备的型壳

图2 测温点及热电偶的位置分布和测温过程

1.3 界面换热系数反算求解过程

采用商业化软件Soildworks和ProCAST分别对特征铸件进行建模和有限元网格的划分，利用获得的测温数据和ProCAST软件提供的反算求解模块，对特征铸件关键位置的界面换热系数进行反算求解计算。由于在型壳转移和冷却过程中，界面换热系数可以看作时间的函数[14-15]，因此反算过程中将时间作为自变量进行界面换热系数的求解。

2 结果与讨论

实际测温实验中热电偶的测温位置如图3所示，不同工艺条件下测温点与测量通道编号的对应关系如表1所示。实际测量获得的型壳、型壳包棉以及型壳包棉复合填砂的预热、保温、转移和冷却过程中各个关键位置温度数据的测量结果分别如图4a—d所示。显然在没有任何保温措施时，型壳各个关键位置在加热和冷却过程中的温度场相差并不大。对不同工艺条件下的测温曲线进行观察时，还可以发现与型壳测温位置对应的型腔温度在整个预热升温与转移冷却的过程中与该处的型壳温度相差比较小，根据这一结果可以推断出，在转移的过程中型腔内部空气的流动比较平缓，强制对流的状态非常不明显。

图3 实际测温实验中热电偶的测温位置及编号

表1 4种工艺条件下测温点与测量通道编号的对应关系

根据图4b给出的型壳包棉焙烧预热升温与转移过程的测温结果可以看出，施加保温棉措施后，型壳各个特征位置均处于均匀厚度的保温棉包裹之下，这导致转移冷却过程中各关键位置的温度分布差别不大。同时受到保温措施的影响，型壳的升温和冷却时间也明显长于第1组的工艺过程，在实际工艺规定的2 h保温时间内未能达到1050 ℃的预热温度，而冷却1.5 h之后各测温点温度仍高于400 ℃。同样的现象在图4c和4d给出的测温曲线中更加明显，这表明在实施保温措施后，型壳预热时间和冷却时间均会增加，且随着保温效果的提高，预热和冷却时间逐渐延长。最后一组工艺条件下，型壳加热5.6 h才能达到设定预热温度。

随着保温效果的提高，型壳在冷却的初始阶段温度随时间的变化逐渐趋于平缓，这表明在型壳从焙烧炉中取出并转移至铸型室的过程中，虽然外部环境的变化和型壳的位移使其周边的空气对流状态由自然对流转变为强制对流，但保温材料能够很好地将强制对流的空气与型壳隔绝，使型壳各关键位置在转移过程中的温度变化更加平稳和缓慢。值得注意的是，在复合填砂2组工艺条件的冷却过程中，随着冷却时间的延长，型壳上各关键位置之间的温度差值逐渐变大，这是由于型壳各关键位置外部的保温砂厚度不同。

根据实际测温结果和特征铸件型壳及保温材料的三维数模，对不同工艺条件下型壳以及保温材料各关键位置处的界面换热系数进行了反算求解，其中与空气接触的界面为对流换热系数，各个材料互相接触的界面为传导换热系数。4种工艺条件下反算获得的各关键位置界面换热系数结果分别如图5a—d所示。

图4 不同工艺条件下测量获得的温度-时间变化曲线

图5 不同工艺条件下的界面换热系数随时间变化曲线

界面换热系数的反算结果表明，在型壳及其保温材料移出焙烧炉进行转移的过程中，外部空气流动速率较保温时加剧，换热方式从自然对流变为强制对流状态，因此整体材料的热量散失加快，导致以热传导为基础的界面换热系数也出现了增长的趋势。转运结束并静置于铸型室中冷却时，空气流动状态恢复至没有扰动的情况，换热效率下降，各材料之间的温差逐渐减小，各个关键位置的界面换热系数趋于稳定并接近理论值。值得注意的是，型壳和内腔的对流换热系数无论是在转运阶段，还是在冷却阶段均未发生改变，始终为常数（10 W/(m2·K)），这也表明内腔空气的流动没有受到外部环境变化的影响，并始终保持自然对流的状态。

3 结论

通过对设计的4组工艺条件下型壳、保温材料各关键位置温度曲线进行测量，并根据测量结果进行反算获得的关键位置界面换热系数，获得了如下的结论。

1）在升温阶段，型壳外加保温材料会导致升温时间大量延长，保温材料越多、保温效果越好、升温时间就越长，对于型壳包棉加外置砂箱复合填砂的工艺而言，若要达到工艺要求，加热时间应延长至6 h以上。

2）在转移过程中，无论是否为连续过程，外部材料的换热方式均从自然对流转变为强制对流方式，换热强度增大，放置在铸型室后，换热方式恢复至稳定的自然对流方式，冷却曲线呈线性降低。

3）型壳内腔空气的流动方式在预热、转移和冷却过程中均不受外部环境变化的影响，始终保持自然对流的状态，型壳与内腔空气之间的对流换热系数始终为常数（10 W/(m2·K)）。

[1] 王志权, 曹健, 司晓庆, 等. 陶瓷空气反应钎焊研究综述[J]. 精密成形工程, 2018, 10(1): 1-9.

WANG Zhi-quan, CAO Jian, SI Xiao-qing, et al. Review of Research on Reactive Air Brazing Ceramics[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2018, 10(1): 1-9.

[2] 凌成智, 胡广洪. 注塑成型有限元分析管理和成型工艺优化系统[J]. 精密成形工程, 2018, 10(1): 161-166.

LING Cheng-zhi, HU Guang-hong. Finite Element Analysis Management and Process Optimization System of Injection Molding[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2018, 10(1): 161-166.

[3] 宗学文, 刘文杰, 熊聪. 钛合金叶轮精铸成型数值模拟及实验验证[J]. 航空材料学报, 2019, 39(5): 103-112.

ZONG Xue-wen, LIU Wen-jie, XIONG Cong. Numerical Simulation Study on Vacuum Gravity Precision Casting of Titanium Alloy Impeller and Experimental Validation[J]. Journal of Aeronautical Materials, 2019, 39(5): 103-112.

[4] 堵永国, 张为军. 常用触点材料的物理性能[J]. 电工材料, 2002(1): 3-6.

DU Yong-guo, ZHANG Wei-jun. The Physical Properties of the Commonly-Used Electrical Contact Materials[J]. Electrical Engineering Materials, 2002(1): 3-6.

[5] 何玉怀, 苏彬. 中国航空发动机涡轮叶片用材料力学性能状况分析[J]. 航空发动机, 2005, 31(2): 51-56.

HE Yu-huai, SU Bin. Mechanical Property Status of Chinese Aeroengine Turbine Blade Materials[J]. Aeroengine, 2005, 31(2): 51-56.

[6] 刘其斌, 李绍杰. 航空发动机叶片铸造缺陷激光熔覆修复的研究[J]. 金属热处理, 2006, 31(3): 52-55.

LIU Qi-bin, LI Shao-jie. Repairing of Aeroengine Blade with Cast Defect by Laser Cladding[J]. Heat Treatment of Metals, 2006, 31(3): 52-55.

[7] 石远进, 马波. 熔模铸件凝固过程冷却曲线的测量方法[J]. 特种铸造及有色合金, 2012, 32(4): 359-360.

SHI Yuan-jin, MA Bo. Test Method of Cooling Curve in Solidification Process of Investment Casting[J]. Special Casting & Nonferrous Alloys, 2012, 32(4): 359-360.

[8] 于靖, 许庆彦, 李嘉荣, 等. 镍基高温合金多叶片定向凝固过程数值模拟[J]. 金属学报, 2007, 43(10): 113-120.

YU Jing, XU Qing-yan, LI Jia-rong, et al. Numerical Simulation of Directional Solidification Process of Multiple Turbine Blades of Ni-Based Superalloy[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2007, 43(10): 113-120.

[9] 曹岩, 张浩, 石亚茹, 等. 基于ProCAST的薄壁叶片熔模精铸过程模拟[J]. 特种铸造及有色合金, 2018, 38(11): 1226-1229.

CAO Yan, ZHANG Hao, SHI Ya-ru, et al. Numerical Simulation and Optimization of Investment Cast Thin-Wall Blade Based on ProCAST Software[J]. Special Casting & Nonferrous Alloys, 2018, 38(11): 1226-1229.

[10] 盛坚, 梁明超, 贺威, 等. 基于无线测温的真空熔铸炉高温合金液相温场检测[J]. 计测技术, 2014(5): 40-42.

SHENG Jian, LIANG Ming-chao, HE Wei, et al. Super-Alloy Liquid Temperature Field Measurement Based on Wireless Thermometry for Vacuum Casting Furnaces[J]. Metrology & Measurement Technology, 2014 (5): 40-42.

[11] 吴智洪. 高温真空炉连续测温解决方案探讨[J]. 机电设备, 2013(3): 70-73.

WU Zhi-hong. Discussion on Solution for Continuous Temperature Measurement of High Temperature Vacuum Furnace[J]. Mechanical and Electrical Equipment, 2013(3): 70-73.

[12] 高斌, 赛建刚, 王亚军, 等. 真空热实验中热电偶测温系统不确定度的评定[J]. 真空与低温, 2017, 23(2): 115-119.

GAO Bin, SAI Jian-gang, WANG Ya-jun, et al. Uncertainty Evaluation of Thermocouple Measurement System in Vacuum Thermal Test[J]. Vacuum and Cryogenics, 2017, 23(2): 115-119.

[13] 卿华, 江和甫, 吴长波, 等. 镍基单晶合金气冷叶片模拟试样的蠕变性能研究[J]. 航空动力学报, 2007, 22(5): 773-778.

QING Hua, JIANG He-fu, WU Chang-bo, et al. Study on the Creep Behavior of Model Specimens of Nickel- Based Single Crystal Air-Cooled Blades[J]. Journal of Aerospace Power, 2007, 22(5): 773-778.

[14] 卜昆, 李永毅, 董一巍, 等. 单晶叶片铸造过程中界面换热系数的确定[J]. 铸造, 2009, 58(3): 225-228.

BU Kun, LI Yong-yi, DONG Yi-wei, et al. Determination of Interfacial Heat Transfer Coefficient during Single Crystal Blade Casting Process[J]. Foundry, 2009, 58(3): 225-228.

[15] 袁帅, 卜昆, 董一巍. 高温合金定向凝固界面换热系数逆向求解算法与应用[J]. 铸造技术, 2012, 33(2): 177-180.

YUAN Shuai, BU Kun, DONG Yi-wei. Algorithm and Application of Reverse Solution of Interfacial Heat- Transfer Coefficient during Directional Solidification of Superalloy[J]. Foundry Technology, 2012, 33(2): 177-180.

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

郑行（1989—），男，硕士，工程师，主要研究方向为高温合金精密铸造成形与制备。

王晔（1984—），男，博士，讲师，主要研究方向为精密铸造过程数值模拟与工艺设计优化。