17-4PH不锈钢简介！不锈钢叶轮熔模铸造工艺的改进

文献来源：

Optimal gating system design for investment casting of 17-4PH

stainless steel enclosed impeller by numerical simulation

and experimental verification

(Kuo J K,Huang P H,Lai H Y,et al. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2017(7):1-11.)

DOI: 10.1007/s00170-017-0198-0

1　前言

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熔模精密铸造可用于生产具有复杂几何形状的部件，具有高尺寸精度，低的成本与优异的表面粗糙度等优点，在医疗，国防和航天工业中被广泛应用。传统设计利用反复试验的方式来开发新的铸造模，此方法耗费了大量的时间与成本，如何简化浇铸系统的设计成了降低成本的关键。

2　成果简介

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来自台南国立大学的Jenn-Kunkuo(第一作者)以及Pei-HsingHuang（通讯作者）等人在Int J Adv ManufTechnol上面发表了一篇名为Optimalgating system design for investment casting of 17-4PH stainless steel enclosedimpeller by numerical simulation and experimental verification的文章，他们给离心泵叶轮设计了6中不同的浇注系统，结合Niyama标准和retainedmelt modulus(RMM)等方法分析各个方案的不同参数对浇铸件质量的影响从而得到最合适的浇铸方案。

3　图文导读

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图一：a初始的浇铸系统设计方案，b填充率在10％时的温度场，c在100.7s时的凝固顺序与未融化区域

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图二： a使用初始方案制造的叶轮铸件缺陷位置，b叶轮后盖表面气孔缺陷，c叶轮前盖表面的收缩，d叶片上的收缩（b-d是a中标记位置的放大）。

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图三：使用RMM方法对初始方案进行缺陷评估

 (a) 外表面; (b) 浇铸系统内部; (c) 前盖板横截面

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图四：实根据Niyama标准评估初始方案中缺陷形成的概率。

 (a) 后盖截面; (b) 内部浇铸系统; (c) 前盖板

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图五：6种改进浇铸系统从a-b分别是方案1-方案6.

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图六：浇铸过程中的瞬态温度场。

 (a) 方案1，底浇铸方式，充液率为40％; (b)方案2，侧浇铸方式，充液率为25％; (c) 方案6，顶浇铸方式，充液率为60％

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图七：(a) 方案1在301.9s时熔融金属未凝固的区域; (b)方案2在94.8s时熔融金属未凝固的区域; (c)方案6在79.2s时熔融金属未凝固的区域

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图八：前叶轮盖中缺陷形成的可能性（使用RMM计算）

 (a) 方案2; (b) 方案6

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图九：利用Niyama标准计算得在叶轮前（左），后（右）形成缺陷的概率

 (a) 方案2; (b) 方案6

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图十：模内气压分布

(a) 初始方案； (b) 方案2; (c) 方案6

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图十一：内浇口流速随时间的变化

(a) 初始方案； (b) 方案2; (c) 方案6

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图十二： (a)传感器的位置; (b)，(c)降温时温度-时间曲线，凝固-时间曲线

4　总结

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这篇文章利用AnyCasting软件分析离心泵不锈钢封闭式叶轮浇注系统浇铸的熔体流动，检测分析了不同浇铸系统中的热力学行为，排气性，凝固方向从而得到了消除铸件缺陷改善铸件质量的办法。主要发现如下：

（1） 当使用初始方案进行浇铸时，由于快速冷却和不充分的溶液补给，收缩易在叶轮薄壁出出现；可结合采用底部浇铸，侧面浇铸和顶部浇铸的方式以克服紊流的不利影响。

（2） 仿真分析结果表明，方案1，方案3和方案4这3中方案不能消除铸件的收缩缺陷，在实际开发中应该避免此3种设计。

（3） 在后盖板上设计通气孔和环形斜面有助于模腔释放气体从而增加叶轮片的温度梯度，因此能够延长冷却时间，这使得铸件不会在模腔内急剧冷却从而阻碍熔料的补充。

（4） 各种方案所带来的的生产效益的提升，方案1(13％)，方案2(15.9％)，方案3(16.7％)，方案4(15.9％)，方案5(19.0％)，方案6(40.9％)

本文由高温合金精密成型研究中心2018级硕士-蒋梦麒编辑整理