CN112102896A - 改善铸造高温合金流动性的合金成分优化方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改善铸造高温合金流动性的合金成分优化方法及设备，包括以某一牌号的合金成分作为待优化参数，按照田口方法设计正交表，计算获得目标参数并进行方差分析，得出待优化工艺参数对目标参数的影响程度；针对响应目标影响显著的待优化参数，确定该工艺参数对相应目标参数的影响规律；结合显著性、影响规律及工艺因子对牌号合金微观组织的作用，确定对牌号合金成分的优化方案。本发明将材料性能计算与田口方法相结合，能够最大限度的降低实验成本，有效节约实验时间，减少了不必要的数据处理，该方法适应性强，不局限于铸造高温合金成分优化实验。

Description

改善铸造高温合金流动性的合金成分优化方法及设备

技术领域

本发明涉及高温合金铸造成型技术领域，具体涉及一种提高造高温合金流动性的合金成分优化方法及设备。

背景技术

随着航空工业的快速发展，大型复杂铸件替代拼装件在成本和性能上的优势日益显现。但是对于大型复杂薄壁铸件，成形是一个关键性问题。在成形过程中，容易形成热裂、欠浇、冷隔、缩孔等铸造缺陷。要获得高质量的大型复杂薄壁铸件，首先要考虑的一个重要因素是充型能力。充型能力一般是指液态金属填充铸型的能力，主要取决于合金的流动性。而合金的流动性主要取决于外在工艺(浇注温度、模壳温度、浇注速度等)和内在因素(合金的化学成分)。

对某一特定牌号的合金，为了提高其流动性，通常采用的方法是提高浇注温度和模壳温度。但高的浇注温度和模壳温度往往会引起晶粒长大和气体杂质元素(氧、氮)浓度增加，降低铸件的使役性能，即在流动性和低浇注温度之间产生矛盾。如果能在不改变浇注温度的情况下提高合金流动性，就能在保证铸件充型良好的前提下降低浇注温度，间接起到细化晶粒和降低杂质气体元素含量的作用，提高铸件服役性能。因此，这就需要在牌号合金允许的名义成分范围内对成分进行微调，以最大程度的提高合金的流动性。

目前，对铸造高温合金流动性的研究主要集中在某一微量元素对合金流动性及缩松的影响。专利号为CN103924124A的发明公开了B元素含量对K4169高温合金流动性的影响，所采用的研究方法为单变量实验法，但由于铸造高温合金的成分极其复杂，如果采用单变量试验的方法来考察每一种合金元素，难以有效分析元素间交互作用对流动性的影响行为，且实验数据庞大繁杂，试验周期很长，试验成本极高，必然导致极大的浪费。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提供一种提高铸造高温合金流动性的合金成分优化方法及设备，能够分析元素间交互作用对合金流动性的影响行为，同时降低实验成本，节约实验时间。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明第一方面，提供一种提高铸造高温合金流动性的合金成分优化方法，包括：

S1，以某一牌号合金的成分作为待优化参数，按照田口方法设计正交实验，计算获得与流动性密切相关的目标参数，并进行方差分析，得出每个待优化参数对目标参数的影响程度的显著性情况；

S2，针对目标参数影响显著的待优化参数，确定该待优化参数对目标参数的影响规律；

S3，结合S1中的显著性情况、S2中的影响规律及每个待优化参数对牌号合金微观组织的作用，确定对牌号合金成分的优化方案。

可选地，所述S1，具体包括：

S101，根据实际需求及某一牌号合金的组织及凝固特性，获取某一牌号合金的关键成分作为待优化参数；

S102，在牌号合金规定的标准成分范围内，取元素含量的上限和下限，并根据需要计算得到各合金元素含量的中间值，将各合金元素的上限值、中间值和下限值作为待优化参数因子的各个水平；

S103，根据各所述待优化参数因子及其水平，按照田口方法设计正交实验表；

S104，对上述正交试验表中的每一组试验方案依次进行计算，得到与铸造高温合金流动性相关的目标参数；

S105，对S104所述目标参数进行田口设计分析，获得每个待优化参数对目标参数的方差值，并与F分布表对比，得到每个待优化参数对目标参数影响的显著性情况。

可选地，在所述S105之后，进一步获得各目标参数的残差图，据此残差图判断数据分析的可靠性。

可选地，S2中，所述确定该待优化参数对目标参数的影响规律包括以下任一种方式：

由积累的实验数据或参考文献确定；

由技术人员的经验确定；

由单变量计算实验确定。

可选地，在所述S3之后，还包括：对牌号合金成分的优化方案的确认；

所述对牌号合金成分的优化方案的确认包括：通过现场浇注评价合金流动性，通过ProCAST软件模拟评估流动性。

可选地，现场浇注合金的测试方法采用测量流线长度的方法，或采用测量体积分数的方法。

可选地，所述采用测量流线长度的方法，其中，流动性测试模型为螺旋式变截面模型，以测试合金停止流动时获得的长度作为流动性指标；

可选地，所述采用测量体积分数的方法，其中，流动性测试模型为薄板式变截面模型，以充型高度作为流动性指标。

本发明的第二方面，提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时可用于执行上述的任一项提高铸造高温合金流动性的合金成分优化方法。

本发明的第三方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时可用于执行上述的任一项提高铸造高温合金流动性的合金成分优化方法。

与现有技术相比，本发明实施例具有如下至少一种有益效果：

本发明上述方法将材料性能计算与田口方法相结合，能够分析元素间交互作用对合金流动性的影响行为，最大限度的降低实验成本，有效节约实验时间，减少不必要的数据处理，该方法适应性强，还可用于诸如不锈钢、镁合金、铝合金等其它铸造合金体系中用于改善合金流动性，但不局限于上述合金体系。

具体的，由于高温合金的高温特性，对高温合金某些热物性(如粘度和表面张力)的测试极其困难，采用材料性能计算的方法，可以准确、快速的获得这些热物性参数。另外，高温合金体系中合金元素种类繁多，合金元素对材料热物性能的影响极其复杂；而热物性能又与合金的流动性密切相关，与传统的实验测试相比，采用材料性能计算的方法可以避免制备大量不同成分的合金、降低研发成本、缩短研发周期。

进一步的，本发明上述方法利用田口试验及方差分析方法，可以系统的考察各元素对与流动性密切相关的热物性参数影响的显著程度，从而从众多的合金元素中选出最为关键的影响因素。以最关键的影响因素为基础，并通过各因素的对热物性参数的影响规律，确定优化方案。可以更容易推广到其他的合金体系，或用于优化合金材料的其他性能。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例提高铸造高温合金流动性的合金成分优化方法的流程图；

图2为本发明一实施例利用JMatPro软件计算的液-固相线温度差、熔体粘度、潜热、表面张力结果；

图3为本发明一实施例得到的关于潜热信噪比的残差图；

图4a～图4d分别为本发明一实施例得到的关于液-固相线温度差、熔体粘度、潜热、表面张力信噪比的主效应图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

图1为本发明一实施例提高铸造高温合金流动性的合金成分优化方法的流程图。

参照图1所示，提高铸造高温合金流动性的合金成分优化方法可以按照以下方法实现：

1)以某一牌号合金的成分作为待优化参数，按照田口方法设计正交实验，利用JMatPro软件计算获得与流动性密切相关的目标参数，并进行方差分析，得出每个待优化参数对目标参数的影响程度的显著性情况；

步骤1)包括如下子步骤：

1.1)根据实际需求及某一牌号合金的组织及凝固特性，获取某一牌号合金的关键成分作为待优化的工艺参数因子。

1.2)在牌号合金规定的标准成分范围内，取元素含量的上限和下限，并根据需要计算得到各合金元素含量的中间值，将各合金元素的上限值、中间值和下限值作为待优化工艺参数因子的各个水平。

1.3)根据各因子及其水平，按照田口方法设计正交实验表：正交表可由Mintab，DesignExpert等工具软件生成，也可自行设计合理的正交表格。

1.4)利用材料性能计算软件对上述正交试验表中的每一组试验方案依次进行计算，得到与铸造高温合金流动性相关的目标参数，包括但不限于固-液相线温度差、熔体粘度、潜热、表面张力等；

材料性能计算软件包括但不限于：已有的商用材料性能计算软件JMatPro、ThermoCalc，自带材料性能数据库的商用软件ProCast、Adstefan，及根据大量实测数据或理论模型建立的经验模型。

1.5)利用工具软件，对1.4)目标参数进行田口设计分析，获得每个待优化参数对目标参数的方差值，并与F分布表对比，得到每个待优化参数对目标参数影响的显著性情况；同时获得各目标参数的残差图，据此判断数据分析的可靠性。

本步骤中，工具软件可以采用现有技术，比如MiniTab、DesignExpert，但不仅限于上述两种工具软件。根据方差原理计算的方差分析。

2)针对响应目标影响显著的待优化参数，确定该工艺参数对响应目标参数的影响规律。

对目标参数的影响规律包括但不限于：由积累的实验数据或参考文献确定，由技术人员的经验确定，由单变量计算实验确定。计算实验所选用的工具可是1.4)工具中的任何一种。

3)结合步骤1)中的显著性、步骤2)中的影响规律及工艺因子对牌号合金微观组织的作用，确定对牌号合金成分的优化方案。

对于上述实施例中确定的优选方案，为了验证其有效性，可以对优化后成分的合金及原合金进行流动性测试。

为了更好地理解上述各步骤操作，以下结合以K438合金成分为例的应用实例进行说明，但是应该理解的是，以下具体应用实例并不用于限定本发明。

参照如图1所示的流程，在一应用实例中，提高铸造高温合金流动性的合金成分优化方法，可以按照以下如下进行：

步骤1)：以K438合金成分作为待优化参数，按照田口方法设计正交实验，利用JMatPro软件计算获得目标参数并进行方差分析，得出待优化工艺参数对目标参数的影响程度；

本步骤中，为了更好实现最终目的，采用了以下步骤：

1.1)获取K438合金的成分作为待优化参数，并在牌号规定的标准成分范围内得到因子水平；具体的，选取了Cr、Co、W、Mo、Al、Ti、Nb、Ta八种主要合金元素和C、B、Zr三种微量合金元素以及Mn、Si两种杂质元素共13种元素作为待优化参数；

1.2)将杂质元素Mn、Si两种元素定为2水平，取元素含量的上限值和下限值；其他11种元素定为3水平，分别取各种元素含量的上限值、中值和下限值。

1.3)根据各待优化参数及其水平，按照田口方法设计正交实验表；依据正交原理，利用Minitab软件，将步骤1.1)和步骤1.2)中的因子和水平生成混合水平设计的L36(2*2+3*11)的设计表，试验次数为36。正交试验表见后面的表1。

1.4)利用JMatPro软件，对正交实验表的每一组方案依次进行计算试验，得到目标参数值；目标参数包括与铸造高温合金流动性密切相关的固-液相线温度差、熔体粘度、潜热、表面张力，但不仅限于上述四种目标参数；目标参数的计算结果见图2。图2为本实施例利用JMatPro软件计算的液-固相线温度差、熔体粘度、潜热、表面张力结果。

1.5)利用MiniTab工具软件，对目标参数值进行方差分析，获得每个待优化参数对目标参数的方差值，并与F分布表对比，得到每个待优化参数对目标参数影响的显著性情况；同时获得各目标参数的残差图，据此判断数据分析的可靠性。

具体地，液-固相线温度差、熔体粘度和表面张力三个目标参数遵循望小特性，潜热遵循望大特性。然后分析得出各参数对各个响应目标的影响程度的计算公式具体如下：

其中，在本实施例上述公式中，第一行LTB公式中的yi表示潜热，LTB表示遵循望大特性；第二行STB公式中的yi表示液-固相线温度差、熔体粘度和表面张力，STB表示遵循望小特性。S/N表示信噪比，n表示要安排的实验总次数。由上述公式计算分析后可得出关于目标参数的方差分析表、关于目标参数的信噪比的响应表以及关于目标因素信噪比的主效应图。计算分析得到上述表和主效应图的过程可以通过Minitab软件田口分析得出，结果见表1、图3和图4a～4d。其中，表1混合水平设计的L36(2×2+3×11)的正交表，图3为本实施例得到的关于潜热信噪比的残差图；图4a～图4d分别为本发明一实施例得到的关于液-固相线温度差、熔体粘度、潜热、表面张力信噪比的主效应图。

表1混合水平设计的L36(2×2+3×11)的正交表

将方差值与F表对比，得到单个待优化参数对各目标参数影响程度的显著性情况；

具体地，在本实施例中，经查F分布表得：F(13,2)_0.01＝99.42；F(13,2)_0.05＝19.42；F(13,2)_0.1＝9.41；F(13,3)_0.01＝26.98；F(13,3)_0.05＝8.73；F(13,3)_0.1＝5.20。将F分布表所查数值与方差分析结果相比，当方差值大于F(13,2)_0.01和F(13,3)_0.01时，为非常显著；当方差值位于F(13,2)_0.01和F(13,2)_0.05之间、F(13,3)_0.01和F(13,3)_0.05之间时，为显著；当方差值位于F(13,2)_0.05和F(13,2)_0.1之间、F(13,3)_0.05和F(13,3)_0.1之间时，为一般；当方差值小于F(13,2)_0.1和F(13,3)_0.1时，为不显著。详细地结果见下表2。

表2为实施例得到的关于潜热信噪比的方差分析表：

以下表3为实施例得到的各待优化参数对液-固相线温度差、熔体粘度、潜热、表面张力影响程度显著性情况：

2)对响应目标影响显著的待优化参数，进行单变量计算实验，确定该待优化参数对相应目标参数的影响规律。

具体地，单变量实验，可由JMatPro软件计算获得，也可以根据经验及参考文献获得，本实施例中，以计算方式获得。

3)结合步骤1)中的显著性情况、步骤2)中的影响规律及待优化参数对牌号合金微观组织的作用，对牌号合金成分给出优化建议，确定对该牌号合金成分的优化方案。

4)在上述步骤3)得到优化方案后，可以对优化后成分的合金及原合金进行流动性测试，确认优化后合金成分的效果。

具体地，根据优化的合金成分，重新熔炼母合金铸锭，在K438铸件常用的浇注工艺(浇注温度、浇注速度、模壳温度)下，采用变截面流动性测试模型进行流动性测试，以测试合金停止流动时获得的长度作为流动性指标，其结果表明，优化成分的合金熔体充型长度比未优化成分的合金熔体充型长度增加了18％，流动性明显提高。

当然，在其他实施例中，对优化后成分的合金及原合金进行流动性测试包括但不限于：通过现场浇注评价合金流动性，通过ProCAST软件模拟评估流动性。可选的，现场浇注合金的测试方法可采用测量流线长度的方法，也可采用测量体积分数的方法。比如，采用测量流线长度的方法，流动性测试模型可选为螺旋式变截面模型，以测试合金停止流动时获得的长度作为流动性指标；采用测量体积分数的方法，流动性测试模型可选为薄板式变截面模型，以充型高度作为流动性指标。

本发明上述实施例提高铸造高温合金流动性的合金成分优化方法，将材料性能计算与田口方法相结合，能够分析元素间交互作用对合金流动性的影响行为，能够最大限度的降低实验成本，有效节约实验时间，减少了不必要的数据处理，该方法适应性强，还可用于诸如不锈钢、镁合金、铝合金等其它铸造合金体系中用于改善合金流动性，但不局限于上述合金体系。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。上述各优选特征在互补冲突的情况下，可以任意组合使用。

Claims (10)

1.一种提高铸造高温合金流动性的合金成分优化方法，其特征在于，包括：

S1，以某一牌号合金的成分作为待优化参数，按照田口方法设计正交实验，计算获得与流动性密切相关的目标参数，并进行方差分析，得出每个待优化参数对目标参数的影响程度的显著性情况；

S2，针对目标参数影响显著的待优化参数，确定该待优化参数对目标参数的影响规律；

S3，结合S1中的显著性情况、S2中的影响规律及每个待优化参数对牌号合金微观组织的作用，确定对牌号合金成分的优化方案。

2.根据权利要求1所述的提高造高温合金流动性的合金成分优化方法，其特征在于，所述S1，具体包括：

S101，根据实际需求及某一牌号合金的组织及凝固特性，获取某一牌号合金的关键成分作为待优化参数；

S102，在牌号合金规定的标准成分范围内，取元素含量的上限和下限，并根据需要计算得到各合金元素含量的中间值，将各合金元素的上限值、中间值和下限值作为待优化参数因子的各个水平；

S103，根据各所述待优化参数因子及其水平，按照田口方法设计正交实验表；

S104，对上述正交试验表中的每一组试验方案依次进行计算，得到与铸造高温合金流动性相关的目标参数；

S105，对S104所述目标参数进行田口设计分析，获得每个待优化参数对目标参数的方差值，并与F分布表对比，得到每个待优化参数对目标参数影响的显著性情况。

3.根据权利要求2所述的提高造高温合金流动性的合金成分优化方法，其特征在于，在所述S105之后，进一步获得各目标参数的残差图，据此残差图判断数据分析的可靠性。

4.根据权利要求1所述的提高造高温合金流动性的合金成分优化方法，其特征在于，S2中，所述确定该待优化参数对目标参数的影响规律包括以下任一种方式：

由积累的实验数据或参考文献确定；

由技术人员的经验确定；

由单变量计算实验确定。

5.根据权利要求1-4任一项所述的提高造高温合金流动性的合金成分优化方法，其特征在于，在所述S3之后，还包括：对牌号合金成分的优化方案的确认；

所述对牌号合金成分的优化方案的确认包括：通过现场浇注评价合金流动性，通过ProCAST软件模拟评估流动性。

6.根据权利要求5所述的提高造高温合金流动性的合金成分优化方法，其特征在于，现场浇注合金的测试方法采用测量流线长度的方法，或采用测量体积分数的方法。

7.根据权利要求6所述的提高造高温合金流动性的合金成分优化方法，其特征在于，所述采用测量流线长度的方法，其中，流动性测试模型为螺旋式变截面模型，以测试合金停止流动时获得的长度作为流动性指标。

8.根据权利要求6所述的提高造高温合金流动性的合金成分优化方法，其特征在于，所述采用测量体积分数的方法，其中，流动性测试模型为薄板式变截面模型，以充型高度作为流动性指标。

9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时可用于执行权利要求1-8任一所述的方法。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时可用于执行权利要求1-8任一所述的方法。

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