铜合金桨毂铸造及热处理工艺研究

发布时间：2017-09-01 12:29

  本文关键词：铜合金桨毂铸造及热处理工艺研究

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【摘要】：可调距螺旋桨由于其具有可操纵性强、推进效率高、可无级变速等优点,已成为船用推进器的一种发展趋势。桨毂作为连接螺旋桨桨叶及发动机尾轴的核心部件,承载着传动装置巨大的扭矩和内部压力,工作条件十分恶劣,是实现船舰在不同工况下顺利航行的关键。由于大型桨毂结构复杂、壁厚、浇注过程易氧化等特点,使该产品在实际生产中出现较多的缺陷问题,影响船舰航行的安全性。故本文以某型号大型桨毂为研究对象,对试制桨毂进行解剖缺陷分析,利用数值模拟技术确定缺陷产生原因,进而优化桨毂铸造工艺。同时,由于该大型桨毂在铸态下的力学性能较低,本课题将对该桨毂所用材料ZCu Al9Fe4Ni4Mn2镍铝青铜进行热处理探索,为高性能的桨毂铸件生产提供指导。本文首先对原铸造工艺下试制桨毂进行了着色探伤、组织分析、断口观察等缺陷分析,找出了桨毂存在的缺陷问题。经着色探伤发现,在桨毂五个窗口下方存在着尺寸较大的管状缩孔缺陷,在桨毂上端面存在着大量缩松缺陷。在对桨毂关键部位拉伸断口观察时发现,窗口下方存在着大量氧化膜及微观缩孔缺陷,上端面还存在着显微缩松缺陷。经组织分析发现,此桨毂组织较粗大。为了确定桨毂缺陷产生原因,运用有限元模拟软件Pro CAST对原铸造工艺充型及凝固过程仿真还原,模拟结果表明:金属液充型过程中紊流现象严重,导致了氧化膜的大量卷入。凝固过程中,窗口下方补充金属液的补缩通道过早凝固,导致此处出现管状缩孔。金属液在上端面铺展过程已经开始凝固,导致此区域呈同时凝固状态,从而在此区域形成大量缩松。通过改进铸件结构、优化浇注系统、设置补贴以及采用点冒口工艺等措施,对原铸造工艺进行了改进优化。通过在窗口上方设置暗冒口,消除了窗口下方的缺陷。对点冒口的开始补浇时间进行了数值模拟,结果表明,若底注结束后立即补浇,冒口集中缩孔距离铸件上端面较近,静置1.5min后补浇效果最佳。采用点冒口补浇工艺,不仅消除了上端面的缩松缺陷,而且极大地提高了铸件的工艺出品率,使铸件工艺出品率从49%,采提高到61%,约节约金属液4吨。对桨毂用ZCu Al9Fe4Ni4Mn2镍铝青铜合金热处理探索结果表明:采用980℃保温2h,随炉冷却到570℃后出炉空冷的退火工艺,使铸态组织中粗大的κII相得到细化,极大地提高桨毂的力学性能,热处理后使材料的抗拉强度由铸态的488MPa提升到610MPa,断后伸长率由16.98%提升到17.85%。同时,材料的60天平均海水腐蚀速率也由铸态的0.0082g·m-2·h-1降低到0.0056g·m-2·h-1。
【关键词】：数值模拟 Pro CAST 铸造工艺优化 热处理
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U671
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-23
• 1.1 引言11
• 1.2 铸造过程数值模拟的研究现状11-13
• 1.2.1 国外铸造过程数值模拟研究现状12-13
• 1.2.2 国内铸造过程数值模拟研究现状13
• 1.3 桨毂铸造技术研究现状13-17
• 1.3.1 桨毂铸造方法研究现状13-15
• 1.3.2 点冒口技术研究现状15-17
• 1.4 桨毂材料研究现状17-22
• 1.4.1 桨毂材料的发展17-19
• 1.4.2 镍铝青铜研究现状19-22
• 1.5 论文研究背景及研究内容22-23
• 第2章 实验原理与实验方法23-29
• 2.1 数值模拟数学模型23-26
• 2.1.1 充型过程数学模型23-24
• 2.1.2 凝固过程数学模型24-26
• 2.2 实验方案26-27
• 2.2.1 热处理工艺设计26
• 2.2.2 海水腐蚀试验26-27
• 2.3 分析测试27-29
• 2.3.1 着色探伤27-28
• 2.3.2 拉伸性能测试28
• 2.3.3 组织及断口观察28-29
• 第3章 桨毂原铸造工艺及铸件缺陷分析29-40
• 3.1 桨毂原铸造工艺29-31
• 3.1.1 结构特点分析29-30
• 3.1.2 原工艺浇注系统30-31
• 3.2 原工艺数值模拟分析31-35
• 3.2.1 热物性参数的选择31-32
• 3.2.2 铸件整体温度场分析32-33
• 3.2.3 铸件截面温度场分析33-35
• 3.2.4 铸件缩孔缩松分析35
• 3.3 原工艺铸件缺陷分析35-39
• 3.3.1 宏观缺陷分析35-36
• 3.3.2 微观缺陷分析36-39
• 3.4 本章小结39-40
• 第4章 桨毂铸造工艺优化40-51
• 4.1 铸件结构改进40
• 4.2 浇注系统设计40-42
• 4.3 冒口设计42-43
• 4.4 优化工艺数值模拟分析43-48
• 4.4.1 无补浇过程模拟43-45
• 4.4.2 补浇工艺选择45-46
• 4.4.3 补浇工艺分析46-48
• 4.5 实际浇注48-50
• 4.6 本章小结50-51
• 第5章 桨毂材料热处理工艺研究51-71
• 5.1 引言51
• 5.2 铸态组织与性能51-54
• 5.3 正火处理对镍铝青铜的影响54-58
• 5.3.1 正火对镍铝青铜组织的影响54-56
• 5.3.2 正火对镍铝青铜力学性能的影响56-57
• 5.3.3 断口分析57-58
• 5.4 退火处理对镍铝青铜的影响58-62
• 5.4.1 退火对镍铝青铜组织的影响58-61
• 5.4.2 退火对镍铝青铜力学性能的影响61
• 5.4.3 断口分析61-62
• 5.5 固溶时效处理对镍铝青铜的影响62-66
• 5.5.1 固溶时效对镍铝青铜组织的影响63-64
• 5.5.2 固溶时效对镍铝青铜力学性能的影响64-65
• 5.5.3 断口分析65-66
• 5.6 最优热处理工艺确定及腐蚀性能检测66-69
• 5.6.1 最优热处理工艺的选择66-67
• 5.6.2 腐蚀性能检测67-69
• 5.7 本章小结69-71
• 结论71-72
• 参考文献72-77
• 致谢77

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本文编号：772090