高温合金涡轮叶片定向凝固过程数值模拟研究进展

高温合金涡轮叶片被广泛应用于航空发动机与燃气轮机,数值模拟技术能优化和改进涡轮叶片定向凝固工艺,提高成品率。本文总结了国内外高温合金涡轮叶片定向凝固过程宏、微观数值模拟模型,介绍了其发展趋势。对高速凝固(HRS)和液态金属冷却(LMC) 2种工艺下高温合金叶片宏观温度场、介观晶粒组织与微观枝晶组织做了模拟仿真,对比分析了2种定向凝固工艺下的传热过程和微观组织演化规律。介绍了变抽拉速率工艺在高温合金定向凝固中的应用,以实际叶片作为算例,对比了常抽拉速率与优化的变抽拉速率对涡轮叶片温度场、晶粒组织的影响。结果表明,优化的变抽拉速率工艺能够改变上凸或者下凹的糊状区形状,得到平直的糊状区与平行的晶粒组织,有利于提升叶片高温力学性能。     

镍基高温合金单晶叶片凝固组织模拟

采用CAF模型对DZ445高温合金单晶叶片定向凝固组织进行了数值模拟,在CAF模型中分别采用高斯分布连续形核模型和扩展KGT模型描述晶粒形核和枝晶尖端生长速率,研究了组模方式和抽拉速率对叶片凝固组织的影响。结果表明,倾斜组模可消除缘板杂晶,但可能会引入新的杂晶;抽拉速率越小越易形成单晶,抽拉速率越大越易形成杂晶;分段变速抽拉可消除缘板杂晶,但变速的位置距缘板应保持一定距离,此距离随叶片尺寸和抽拉速率而发生变化。     

液态金属冷却法制备单晶铸件凝固过程的实验与模拟

利用高温度梯度定向凝固技术--液态金属冷却LMC(liquid metal cooling)技术制备了单晶铸件,采用ProCAST 限元模拟软件包计算了LMC定向凝固工艺下,不同抽拉速度单晶高温合金铸件定向凝固过程的温度场,预测了拉速对单晶生长缺陷的影响.结果表明,模拟结果与实验结果吻合良好,计算的温度曲线在1100℃以上与实测温度曲线相比误差小于5%;随着抽拉速度的增加,凝固界面下凹,曲率增加,铸件缘板处出现杂晶的倾向增大.     

基于CA方法的Ti-45Al合金定向凝固过程微观组织模拟

采用CA方法建立了Ti-45Al(at.%)合金定向凝固过程中的组织演变数值计算模型,考虑了二元合金包晶反应过程,对液态金属冷却定向凝固过程中Ti-45Al合金的组织演变进行了模拟。模拟结果表明,定向凝固组织分为初生等轴晶组织、稳定生长的柱状晶以及中间过渡区域3部分,柱状晶一次臂间距随抽拉速度增大而减小。Ti-45Al合金在0.1 mm/min抽拉速度条件下,得到了以初生β相为主的凝固组织,在枝晶间溶质富集处有少量的包晶相析出,与相关试验结果基本一致。     

抽拉速度对单晶叶片定向凝固过程的影响

建立了单晶高温合金涡轮叶片定向凝固过程数值计算的有限元模型,利用Pro CAST软件模拟计算了叶片在定向凝固工艺下不同抽拉速率时叶片凝固过程的固-液界面形状、纵向温度梯度、冷却速率和二次枝晶间距,预测了抽拉速率对杂晶形成的影响。结果表明,随着抽拉速率增大,温度梯度略有降低,二次枝晶间距减小;随着抽拉速率增大,叶片冷却速率增大,而起晶器和选晶器中的冷却速率不受抽拉速率的影响。     

液态金属冷却法制备重型燃机定向结晶空心叶片凝固过程的实验与模拟

利用高温度梯度定向凝固-液态金属冷却(LMC)技术制备了重型燃机定向结晶空心高压涡轮叶片,采用Pro CAST有限元模拟软件计算了LMC定向凝固工艺下,不同抽拉速率时空心定向结晶叶片凝固过程的温度场、晶粒组织以及一次枝晶间距(PDAS),预测了抽拉速率对杂晶、雀斑等缺陷的影响.结果表明,模拟结果与实验结果吻合良好.随着抽拉速率增加,叶片的凝固速率、冷却速率均增加,远高于高速凝固法(HRS)的凝固速率、冷却速率;叶片不同部位达到最大纵向温度梯度时的抽拉速率不同,纵向温度梯度是评价定向工艺的有效方法;LMC工艺制备的燃机叶片消除了雀斑缺陷,PDAS远小于HRS工艺.     

基于ProCast的镍基单晶高温合金数值模拟

采用ProCast软件和CAFE模型对不同工艺条件下的DD3镍基高温合金的定向凝固过程进行了模拟,分析了抽拉速度对糊状区的影响及加热区温度和抽拉速度对定向凝固温度场和枝晶二次臂间距的影响规律。结果表明,提高加热区温度和抽拉速度,可以获得更细化的微观组织,降低二次枝晶臂间距,但是抽拉速度过大,糊状区宽度变宽,糊状区位置下移,界面下凹,叶片平台处容易出现杂晶,因此抽拉速度需要控制在一个合理范围内。     

金属近快速定向凝固过程的数值模拟

从非稳态传热角度并按照柱坐标系中二维传热方式对Bridgman装置中Al柱状试样近快速定向凝固过程进行了数值模拟,分析了试样在近快速定向凝固过程中液固界面前沿的温度梯度和生长速度随试样抽拉速度的变化规律.计算结果表明:在30～3 000 μm/s的抽拉速度范围,随着抽拉速度的提高,液固界面前沿的温度梯度在(145士l0)K/cm范围变化,生长速度与抽拉速度的差别不超过5%.研究结果为实验研究近快速定向凝固组织形态转变提供了可靠的控制参数依据.     

重型燃机大尺寸叶片定向凝固组织模拟

采用CAF模型对某重型燃机大尺寸动叶片定向凝固组织进行了数值模拟。结果表明,叶根朝下组模时,柱状晶尺寸细小,偏离度和发散度较小,叶根晶粒尺寸细小,叶顶晶粒尺寸粗大;叶顶朝下组模时,柱状晶粗大,偏离度和发散度较大,叶顶晶粒细小,叶根晶粒粗大。抽拉速率对柱状晶组织的影响与组模方式相关性不大,抽拉速率越大,柱状晶尺寸越小,偏离度和发散度越小。试生产发现,数值模拟结果和试验结果符合较好。     

单晶高温合金杂晶形成倾向性数值模拟

采用液态金属冷却法(LMC)实现定向凝固,运用ProCAST有限元软件包计算了DD483高温合金的定向凝固过程。在试验验证获得合理模拟参数的基础上,模拟抽拉速度和平台尺寸对高温合金变截面试样定向凝固过程温度场的影响,并采用ProCAST中的元胞自动机(CA)与有限元(FE)耦合模块计算相应条件下的微观组织,探究拉速和平台尺寸对高温合金变截面试样平台区域杂晶形成的影响。结果表明,冷却曲线模拟结果与试验结果吻合良好;拉速越大,杂晶形成倾向越大;同样,平台尺寸越大,杂晶形成倾向也越大;试样平台尺寸越大,获得单晶的临界拉速越小。     

高温合金单晶叶片定向凝固过程的宏微观数值模拟

基于有限元和Panda热动力学数据库建立了单晶叶片真空熔模铸造定向凝固过程的数理模型,对不同工艺下单晶叶片试样凝固过程中的温度场、糊状区演变及枝晶二次臂间距进行了仿真,研究了缺陷形成机理和规律。计算结果与实验吻合良好。计算结果显示,拉速大时二次臂细小,但杂晶产生的趋势加大;拉速小时杂晶不易形成,但二次臂增粗。对实际空心薄壁复杂单晶叶片定向凝固过程的模拟研究表明,二次臂间距在叶身部分分布比较均一, 3.5 mm/min抽拉时有可能在缘板处产生杂晶。采用变拉速工艺,不仅可避免杂晶缺陷,还能保证工件大部分枝晶细小,提高生产效率和成品率     

高温合金定向凝固界面换热系数逆向求解与验证

通过实验采集了DD6单晶叶片定向凝固过程温度场数据,基于数值模拟逆向求解确定了定向凝固过程中界面换热系数。采用这些界面换热系数进行了ProCAST数值模拟,得到了凝固过程位移场,并与真实叶片实测位移场进行比较,证实仿真结果与试验结果吻合较好,验证了反求界面系数的可靠性。     

抽拉速度对Ti-45Al合金定向凝固组织演化影响的数值模拟

采用基于溶质扩散控制模型结合CA方法对Ti-45Al合金定向凝固过程中抽拉速度对显微组织演化影响进行数值模拟。结果表明,随抽拉速度增加,凝固形态经历了平面→胞晶→胞/枝混合结构→树枝晶的转变,如果温度梯度高于20K/mm,仅经历平面→胞晶转变。此外,将模拟结果与实验结果和理论分析进行对比,证明了模型的有效性。     

数值模拟技术在制备燃气轮机叶片中的应用

从单晶叶片的选晶过程、HRS定向凝固工艺制备航空叶片及LMC工艺制备重型燃气轮机叶片3方面,简要介绍了数值模拟技术的研究进展。描述了数理模型的建立,对比分析了两种不同的定向凝固工艺的优缺点。螺旋选晶器的设计对单晶叶片的制备影响较大,其设计失效可能会导致选晶效率差,出现杂晶缺陷等。通过对航空叶片温度场及微观组织的模拟,结合试验研究,优化了工艺,成功制备出单晶叶片。重型燃气轮机叶片制备更为复杂,通过数值模拟缩短了研发周期,节约了成本。     

一种第三代镍基单晶高温合金铸件截面突变处的杂晶形成过程

以一种第三代镍基单晶高温合金模型叶片为研究对象,采用ProCASTCAFE数值模拟方法并结合HRS定向凝固实验,考察了不同抽拉速率与突变截面尺寸时,铸件截面突变处的温度场分布以及晶粒组织演化过程,分析了抽拉速率与突变截面尺寸对杂晶形成的影响规律。结果表明,增大抽拉速率与突变截面尺寸会显著改变凝固界面处的温度场分布,造成了突变截面边缘局部过冷区的形成,使得杂晶在该处形核长大。随着抽拉速率和突变截面尺寸的增大,杂晶数量增多且尺寸增大。     

涡轮叶片柱状晶制备工艺过程仿真及参数控制

依据涡轮叶片柱晶制备工艺，自主开发了温度场模拟软件HRSCAE。通过正交设计及模拟试验，研究了不同抽拉速度、加热及冷却条件对柱晶涡轮叶片生产过程温度场分布、固液界面形态的影响。研究表明，抽拉速度是影响铸件质量的主要因素，通过控制抽拉速度，使固液界面尽量保持在绝热区附近，可以使固液界面在较长时间内保持平坦状态。固液界面位置越靠近绝热区，越有利于柱晶的生长。模拟试验为准确控制工艺参数和解决定向凝固生产实践中发散度问题提供理论依据，也为获得表面光洁的高质量柱状晶提供了技术途径。     

工艺参数对冷坩埚定向凝固钛合金宏观组织的影响

用电磁冷坩埚进行定向凝固可以将电磁冷坩埚和定向凝固技术的优点相结合，为难熔、活泼金属的定向凝固开辟新的方法，但工艺过程复杂，影响因素众多，为了解冷坩埚定向凝固过程和宏观组织演变规律，本实验通过正交实验得到了工艺参数对宏观组织的影响规律，研究发现抽拉速度是影响宏观组织最主要的因素，其他因素影响不显著，随抽拉速度降低，晶粒数量明显减少，当抽拉速度为1mm／min时，能获得定向凝固组织。理论分析表明，工艺参数通过影响驼峰和凝固界面的位置和形状，以及吸收和导出的热量而影响宏观组织。     

镍基高温合金多叶片定向凝固过程数值模拟

建立了基于Monte Carlo法的射线追踪模型,并用来动态处理定向凝固抽拉过程中多叶片间以及叶片与加热炉间的辐射换热过程.模型中考虑了抽拉速度、加热炉几何尺寸等影响,研究了2种抽拉速度下的温度分布.得到的温度采样点冷却曲线与实际冷却曲线进行了对比并得到了较好的结果.多叶片条件下,冷却区叶片靠近炉壁的温度低于同一水平线上靠近炉腔中心部分的温度.抽拉速度为7.0 mm/min时等温线的斜率高于抽拉速度为4.5 mm/min时的斜率.炉腔的几何尺寸对凝固过程温度分布有重要影响.     

CMSX-2单晶高温合金高梯度定向凝固下过渡区的组织演化特征

用高温度梯度定向凝固装置研究了CMSX－2单晶高温合金初始过渡区的组织演化特征，获得了不同条件下过渡区单晶高温合金的平－胞－枝组织结构，以及相应的一次胞枝晶间距大小，发现初始过渡区的凝固过程影响到最终获得的凝固组织。采用的匀加速抽拉方式有利于提高单晶的引晶率和单晶凝固组织的完整性。     

工艺条件对镍基高温合金DD483单晶叶片中杂晶缺陷的影响

利用Bridgman定向凝固工艺进行了高温合金DD483单晶叶片铸造试验,通过调整抽拉速度和使用不同型壳材料研究了工艺条件对杂晶缺陷的影响。结果表明,叶片中的杂晶缺陷一般出现在横截面突然扩大的缘板部位。铸件下部的外侧比内侧更易生成杂晶,但在上部则相反,即铸件内侧的杂晶缺陷更严重。在缘板部位降低抽拉速度能有效减少杂晶缺陷。在使用国产型壳时合金DD483叶片的单晶率非常低,但使用进口的纯刚玉型壳时叶片质量有明显提高,这说明型壳材料对单晶叶片中杂晶的形成有明显影响。