本文關(guān)鍵詞：銅合金槳轂鑄造及熱處理工藝研究

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【摘要】：可調(diào)距螺旋槳由于其具有可操縱性強、推進效率高、可無級變速等優(yōu)點,已成為船用推進器的一種發(fā)展趨勢。槳轂作為連接螺旋槳槳葉及發(fā)動機尾軸的核心部件,承載著傳動裝置巨大的扭矩和內(nèi)部壓力,工作條件十分惡劣,是實現(xiàn)船艦在不同工況下順利航行的關(guān)鍵。由于大型槳轂結(jié)構(gòu)復雜、壁厚、澆注過程易氧化等特點,使該產(chǎn)品在實際生產(chǎn)中出現(xiàn)較多的缺陷問題,影響船艦航行的安全性。故本文以某型號大型槳轂為研究對象,對試制槳轂進行解剖缺陷分析,利用數(shù)值模擬技術(shù)確定缺陷產(chǎn)生原因,進而優(yōu)化槳轂鑄造工藝。同時,由于該大型槳轂在鑄態(tài)下的力學性能較低,本課題將對該槳轂所用材料ZCu Al9Fe4Ni4Mn2鎳鋁青銅進行熱處理探索,為高性能的槳轂鑄件生產(chǎn)提供指導。本文首先對原鑄造工藝下試制槳轂進行了著色探傷、組織分析、斷口觀察等缺陷分析,找出了槳轂存在的缺陷問題。經(jīng)著色探傷發(fā)現(xiàn),在槳轂五個窗口下方存在著尺寸較大的管狀縮孔缺陷,在槳轂上端面存在著大量縮松缺陷。在對槳轂關(guān)鍵部位拉伸斷口觀察時發(fā)現(xiàn),窗口下方存在著大量氧化膜及微觀縮孔缺陷,上端面還存在著顯微縮松缺陷。經(jīng)組織分析發(fā)現(xiàn),此槳轂組織較粗大。為了確定槳轂缺陷產(chǎn)生原因,運用有限元模擬軟件Pro CAST對原鑄造工藝充型及凝固過程仿真還原,模擬結(jié)果表明:金屬液充型過程中紊流現(xiàn)象嚴重,導致了氧化膜的大量卷入。凝固過程中,窗口下方補充金屬液的補縮通道過早凝固,導致此處出現(xiàn)管狀縮孔。金屬液在上端面鋪展過程已經(jīng)開始凝固,導致此區(qū)域呈同時凝固狀態(tài),從而在此區(qū)域形成大量縮松。通過改進鑄件結(jié)構(gòu)、優(yōu)化澆注系統(tǒng)、設(shè)置補貼以及采用點冒口工藝等措施,對原鑄造工藝進行了改進優(yōu)化。通過在窗口上方設(shè)置暗冒口,消除了窗口下方的缺陷。對點冒口的開始補澆時間進行了數(shù)值模擬,結(jié)果表明,若底注結(jié)束后立即補澆,冒口集中縮孔距離鑄件上端面較近,靜置1.5min后補澆效果最佳。采用點冒口補澆工藝,不僅消除了上端面的縮松缺陷,而且極大地提高了鑄件的工藝出品率,使鑄件工藝出品率從49%,采提高到61%,約節(jié)約金屬液4噸。對槳轂用ZCu Al9Fe4Ni4Mn2鎳鋁青銅合金熱處理探索結(jié)果表明:采用980℃保溫2h,隨爐冷卻到570℃后出爐空冷的退火工藝,使鑄態(tài)組織中粗大的κII相得到細化,極大地提高槳轂的力學性能,熱處理后使材料的抗拉強度由鑄態(tài)的488MPa提升到610MPa,斷后伸長率由16.98%提升到17.85%。同時,材料的60天平均海水腐蝕速率也由鑄態(tài)的0.0082g·m-2·h-1降低到0.0056g·m-2·h-1。
【關(guān)鍵詞】：數(shù)值模擬 Pro CAST 鑄造工藝優(yōu)化 熱處理
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：U671
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 緒論11-23
• 1.1 引言11
• 1.2 鑄造過程數(shù)值模擬的研究現(xiàn)狀11-13
• 1.2.1 國外鑄造過程數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀12-13
• 1.2.2 國內(nèi)鑄造過程數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀13
• 1.3 槳轂鑄造技術(shù)研究現(xiàn)狀13-17
• 1.3.1 槳轂鑄造方法研究現(xiàn)狀13-15
• 1.3.2 點冒口技術(shù)研究現(xiàn)狀15-17
• 1.4 槳轂材料研究現(xiàn)狀17-22
• 1.4.1 槳轂材料的發(fā)展17-19
• 1.4.2 鎳鋁青銅研究現(xiàn)狀19-22
• 1.5 論文研究背景及研究內(nèi)容22-23
• 第2章 實驗原理與實驗方法23-29
• 2.1 數(shù)值模擬數(shù)學模型23-26
• 2.1.1 充型過程數(shù)學模型23-24
• 2.1.2 凝固過程數(shù)學模型24-26
• 2.2 實驗方案26-27
• 2.2.1 熱處理工藝設(shè)計26
• 2.2.2 海水腐蝕試驗26-27
• 2.3 分析測試27-29
• 2.3.1 著色探傷27-28
• 2.3.2 拉伸性能測試28
• 2.3.3 組織及斷口觀察28-29
• 第3章 槳轂原鑄造工藝及鑄件缺陷分析29-40
• 3.1 槳轂原鑄造工藝29-31
• 3.1.1 結(jié)構(gòu)特點分析29-30
• 3.1.2 原工藝澆注系統(tǒng)30-31
• 3.2 原工藝數(shù)值模擬分析31-35
• 3.2.1 熱物性參數(shù)的選擇31-32
• 3.2.2 鑄件整體溫度場分析32-33
• 3.2.3 鑄件截面溫度場分析33-35
• 3.2.4 鑄件縮孔縮松分析35
• 3.3 原工藝鑄件缺陷分析35-39
• 3.3.1 宏觀缺陷分析35-36
• 3.3.2 微觀缺陷分析36-39
• 3.4 本章小結(jié)39-40
• 第4章 槳轂鑄造工藝優(yōu)化40-51
• 4.1 鑄件結(jié)構(gòu)改進40
• 4.2 澆注系統(tǒng)設(shè)計40-42
• 4.3 冒口設(shè)計42-43
• 4.4 優(yōu)化工藝數(shù)值模擬分析43-48
• 4.4.1 無補澆過程模擬43-45
• 4.4.2 補澆工藝選擇45-46
• 4.4.3 補澆工藝分析46-48
• 4.5 實際澆注48-50
• 4.6 本章小結(jié)50-51
• 第5章 槳轂材料熱處理工藝研究51-71
• 5.1 引言51
• 5.2 鑄態(tài)組織與性能51-54
• 5.3 正火處理對鎳鋁青銅的影響54-58
• 5.3.1 正火對鎳鋁青銅組織的影響54-56
• 5.3.2 正火對鎳鋁青銅力學性能的影響56-57
• 5.3.3 斷口分析57-58
• 5.4 退火處理對鎳鋁青銅的影響58-62
• 5.4.1 退火對鎳鋁青銅組織的影響58-61
• 5.4.2 退火對鎳鋁青銅力學性能的影響61
• 5.4.3 斷口分析61-62
• 5.5 固溶時效處理對鎳鋁青銅的影響62-66
• 5.5.1 固溶時效對鎳鋁青銅組織的影響63-64
• 5.5.2 固溶時效對鎳鋁青銅力學性能的影響64-65
• 5.5.3 斷口分析65-66
• 5.6 最優(yōu)熱處理工藝確定及腐蝕性能檢測66-69
• 5.6.1 最優(yōu)熱處理工藝的選擇66-67
• 5.6.2 腐蝕性能檢測67-69
• 5.7 本章小結(jié)69-71
• 結(jié)論71-72
• 參考文獻72-77
• 致謝77

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本文編號：772090