颗粒增强型复合材料因其具有良好的耐高温、抗腐蚀、热膨胀系数低和较高的比强度、比模量等特点,近年来受到材料研究者们的密切关注,特别是在航空航天、汽车零部件生产、电子封装等领域的使用需求与日俱增。本文以TiB2/Al复合材料某叶轮铸件的熔模铸造工艺为研究对象,针对实际铸造生产中叶轮铸件出现的热裂缺陷,采用商业铸造分析软件ProCAST对其铸造过程的应力场、流场和温度场等进行模拟分析。通过观察铸件铸造全过程,预测并分析铸件热裂缺陷产生的位置和原因,并对原有的初始浇注工艺方案进行工艺优化。通过反复模拟实验,确定最佳工艺方案,以达到消除该种材料叶轮铸件存在热裂缺陷的目的。由于ProCAST软件自身的材料数据库中缺乏有关TiB2/Al材料的热物性与力学性能参数,且该种材料性能参数在固液两相区的测量工作十分困难。本文借助颗粒增强型复合材料性能参数计算公式,并依据Ti B2颗粒与A356合金各自的热物性和力学性能参数随温度的变化关系,建立了体积分数Vp为10%的TiB2/Al材料数据库,用于该种材料下叶轮铸件铸造过程的数值模拟研究。为验证建立的ProCAST中10%TiB2/Al材料数据库的可靠性,以铸造厂方提供的初始浇注工艺参数L1:浇注温度为730℃,浇注速度为0.06m/s,型壳初始温度为300℃,进行了初始工艺方案的模拟分析。模拟结果表明,叶轮叶片厚薄不均,使其周围各处冷却、收缩不同步,相互制约产生了铸造热应力,又因受到型壳由于热胀冷缩产生的机械阻碍作用,铸造热应力逐步积累,当应力值超出该处材料的应力极限时就会导致热裂的形成。模拟中预测热裂产生的位置与实际结果一致,证明了ProCAST中10%TiB2/Al材料数据库对该种材料下铸件的模拟研究和生产指导具有较高的参考价值,同时验证了ProCAST铸造分析软件在熔模铸造工艺过程模拟分析结果的准确性。本研究为消除叶轮叶片两端热裂缺陷,以铸件浇注温度、浇注速度、型壳初始温度为三变量参数进行编组正交模拟实验,通过各组模拟实验结果的对比和分析,确定出最佳工艺方案为L7:浇注温度为750℃,浇注速度为0.08m/s,型壳初始温度为350℃。方案L7与初始方案模拟结果的对比分析可知:较高的型壳初始温度和浇注温度可以减缓远离浇口侧下端各叶片处的热量损失,从而保证了远离浇口侧下端叶片部位的顺序凝固,有效避免了叶片两端铸造应力集中现象。最后,进行了TiB2/Al叶轮铸件熔模铸造实验,其过程包括了压型设计与制造、蜡模制备、型壳材料选择与制备、脱蜡、焙烧、复合材料制备以及浇注等工序;并对冷却后的叶轮铸件进行了热裂缺陷检测和材料内层微观组织的电镜观察实验。由射线探伤报告可知,改进后浇注所得铸件内部未发现铸件热裂缺陷;由微观组织观察实验发现,原位反应法生成的TiB2颗粒形状规则、分布均匀,总体呈棱柱状或粒状,且颗粒与基体间结合紧密、无明显反应残留物。由浇注实验成功制得无裂纹缺陷的叶轮铸件,再次验证了TiB2/Al叶轮铸件熔模熔模铸造过程数值模拟的可靠性,为该种复合材料叶轮铸件批量化生产提供了理论基础和科学指导。