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。     

高温合金定向凝固界面换热系数逆向求解算法与应用

使用双铂铑(Pt-Rh₃₀/Pt-Rh₆（B）)热电偶采集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出定向凝固过程中高温合金DD6与模壳之间的界面换热系数,并分析了界面换热系数随界面温度变化的关系。采用得到的界面换热系数,基于ProCAST数值模拟,得到的仿真温度场数据与实测温度场数据吻合良好,单晶叶片定向凝固过程数值模拟精度得到有效提高。     

考虑炉壁温度变化的高温合金叶片定向凝固过程模拟

考虑炉壁温度的变化,基于Monte Carlo射线追踪法建立了高温合金叶片定向凝固过程的温度场计算改进模型.通过法向射线加密提高加热炉炉壁的辐射计算精度,并采用叶片三维有限差分网格和加热炉二维网格混合使用的方法提高计算效率.叶片和炉壁的温度曲线模拟与实验结果吻合良好,改进模型反映了抽拉过程中炉壁温度的变化及其对叶片内部温度分布的影响,提高了叶片温度的模拟精度.     

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.     

定向凝固简化空心叶片热应力数值模拟

定向凝固叶片在凝固过程中产生的热应力会导致叶片最终存在残余应力、变形甚至裂纹而使得叶片报废,故研究叶片凝固过程的热应力变化具有重要意义.通过数值模拟的方法可以对叶片的凝固过程热应力进行模拟,得出应力变化情况,对叶片可能产生的缺陷进行预测.文中采用商用软件ProCAST对定向凝固简化空心叶片的热应力场进行数值模拟,分析空心叶片凝固过程中的热应力变化情况,并通过切割法测量了铸件的残余应力,模拟结果与实验结果吻合较好.     

基于改进差分网格的高温合金定向凝固数值模拟

辐射传热的准确计算是高温合金定向凝固过程中获得优质铸件的关键因素之一。改进有限差分网格,对高温合金叶片定向凝固传热过程进行数值模拟,并采用不同的工艺参数进行对比分析。结果表明,差分网格修正方法能在一定程度上提高规则与非规则复合几何模型的外表面辐射传热量数值计算精度;当抽拉速度为6mm/min时,合金的固液界面形态最平稳;随着型壳与合金的对流传热系数增大,叶片合金横截面的中间高温区域逐渐减小,直至横截面温度均匀,且温度场是由外向内逐渐降低。     

采用正交设计优化单晶合金定向凝固数值模拟参数

采用正交设计方法研究单晶高温合金定向凝固过程数值模拟所需参数对温度场和冷却曲线的影响.结果表明:单晶高温合金凝固曲线对模拟参数十分敏感,特别敏感于铸件与铸型之间的界面换热系数.通过正交设计获得边界条件参数使模拟结果与试验结果吻合良好.确定符合DD6单晶高温合金凝固过程的数值模拟边界条件.     

单晶导向叶片凝固过程组织模拟

单晶高温合金铸造工艺影响因素繁多,其微观组织和晶体界面形态严格依赖于晶体生长时所选择的凝固速率和温度梯度.空心导向叶片横向跨距大,壁厚超薄,型腔结构复杂,且缘板、叶冠截面几何突变问题导致温度梯度难于控制.合金散热过程形成晶态的机理复杂,使保证叶片单晶完整性成为熔铸工艺的难点之一.本研究利用ProCAST仿真软件对某高导叶片凝固过程中的温度场与流场进行计算,并应用CAFE模块耦合前者计算结果对合金组织形核生长情况进行宏观模拟.借助实际浇注和测温试验作为参照,计算实际导向叶片组合方案,研究叶片定向凝固过程中的晶粒竞争生长机制和晶粒取向控制方法.模拟结果显示杂晶集中出现在叶片缘板及进、排气边位置.     

定向凝固过程中型芯型壳温度场数值模拟

以空心涡轮叶片作为典型件,开展了定向凝固过程中叶片、陶瓷型芯和陶瓷型壳温度场的数值模拟研究,分析了陶瓷在定向凝固过程中的膨胀特点,对空心叶片铸造过程中陶瓷型芯的定位进行了设计。     

定向凝固过程中型芯、型壳温度场数值模拟

以空心涡轮叶片作为典型件，开展了定向凝固过程中叶片、陶瓷型芯和陶瓷型壳温度场的数值模拟，分析了陶瓷在定向凝固过程中的膨胀特点，对空心叶片铸造过程中陶瓷型芯的定位进行了设计。     

Cold-crucible directional solidification of refractory metal-silicide eutectics

Microcomposite structures generated by directional solidification of eutectics offer many unique microstructural advantages, including thermodynamic stability, directional alignment, and a fine dispersion of component phases. In an effort to improve the performance of advanced turbine engines, a Czochralski crystal growth method in conjunction with cold-crucible induction melting has been developed for the production of high-temperature eutectic composites. Cold-crucible directional solidification has been successfully applied to the growth of refractory metal-silicide eutectics into directional microcomposites. The eutectics studied include Cr-Cr₃Si,Nb-Nb₃Si,and V-V₃Si, which have melting temperatures ofl,705°C, 1,880°C, and 1,870°C, respectively.     

镍基双晶高温合金定向凝固过程中的竞争生长

研究了镍基双晶高温合金定向凝固过程中的竞争生长.实验结果表明：当原始籽晶一次枝晶方向均平行于热流方向且二次枝晶取向不同时,定向凝固过程中双晶共存,但双晶的界面存在波动,抽拉速率对其影响不大.当原始籽晶一次枝晶([001])异面并保持其中一组二次枝晶取向([010]相同时,双晶竞争生长过程是一个三维竞争生长过程.晶粒竞争...     

抽拉速率对定向凝固叶片状DZ125高温合金微观组织的影响

应用液态金属冷却(LMC)和高速凝固(HRS)定向凝固技术,对DZ125高温合金叶片状铸件在不同抽拉速率下的组织演变规律进行了研究,并对比研究了LMC和HRS法所得铸件的微观组织.结果表明,同一定向凝固方法下,随抽拉速率的提高,铸件枝晶组织及γ′析出相得到细化;应用LMC技术所制备铸件的枝晶组织和γ′析出相较相同抽拉速率HRS方法时更为细小;相同工艺参数下LMC和HRS方法所制备铸件一次枝晶间距的差异随铸件壁厚及抽拉速率的增大而更显著.通过对固/液界面前沿温度梯度进行估算发现,LMC方法可获得更高的温度梯度,且其温度梯度受抽拉速率变化影响较HRS更小.除70μm/s抽拉速率外,LMC法所得γ+γ′共晶组织的含量均显著少于HRS方法;70μm/s抽拉速率时,LMC法产生的偏析较严重,而其余凝固条件下偏析程度较相同工艺参数下HRS轻.110μm/s抽拉速率时,HRS方法较LMC方法制备铸件中MC型碳化物尺寸更大.     

单晶高温合金铸件结构对定向凝固过程中温度场的影响

为了提高单晶涡轮叶片的气冷效果,其冷却通道内部结构越来越复杂,导致制备过程中凝固缺陷出现频率增高,凝固缺陷的形成与定向凝固过程中温度场演变密切相关。采用ProCAST数值模拟的方法研究了铸件结构对定向凝固过程中温度场的影响。结果表明,单晶高温合金铸件尺寸突变和渐变都会导致液固界面位置和温度梯度的变化;相比渐变截面结构,突变截面结构容易形成较大的凝固界面曲率,且边角处形成较大的过冷,更容易导致凝固缺陷的形成。     

Advanced Superalloy Airfoils

Significant progress has recently been made with regard to the elements that compose a modern gas turbine airfoil. These aspects include alloy, casting, coating, and internal cooling design. Current single-crystal super-alloy turbine airfoils represent a significant improvement in temperature capability over their predecessors, polycrystal and columnar crystal alloys. Single-crystal superalloy technology has combined the design of alloys for exclusive use in single-crystal form with advances in directional solidification to produce single-crystal castings with complex internal cooling passages. In addition, metallic and ceramic coatings have been developed to provide even greater temperature capability.     

Effect of mould baffle technology on stray grain formation in single crystal blades by integral fabrication based on 3D printing

Stray grains, the most serious casting defect, mainly occur in the platform because of the abrupt transition of the cross-section in the directional solidification of superalloy single-crystal blades. A new mould baffle technology based on 3D printing and gelcasting is proposed herein to reduce the formation of stray grains in the platform. The influence of the proposed mould baffle technology on the temperature field in the platform during solidification was investigated by simulation and experiment. The numerical simulation results indicate that the proposed mould baffle technology can effectively hinder the radiation and heat dissipation at the platform extremities, and therefore, reduce undercooling in the platform and the formation of stray grains during directional solidification. Casting trials of a hollow turbine blade were conducted using CMSX-4 superalloy. The trial results demonstrate the potential of the proposed approach for manufacturing single-crystal superalloy blades.

     

定向凝固技术的若干进展

定向凝固技术可使材料凝固组织按特定方向排列，获得定向及单晶组织结构，大大改善材料的力学和物理性能。简要地回顾了传统定向凝固技术的发展，指出了其存在温度梯度低的弊端。评述了几种新发展起来的新型定向凝固技术，并对其存在问题及发展趋势进行了讨论。指出电磁约束成形定向凝固技术集金属材料的加热熔化、无接触约束成形及组织定向凝固于一体，特别适合于高熔点、易氧化、高活性的特种合金坯件的无污染制备。     

新型真空熔化定向凝固装置的研制

对真空感应熔炼与双区加热结合在一起的定向凝固装置的可行性进行了研究，并研制出一套新型真空熔化定向凝固装置。该装置的主要特点是：（１）可定向凝固出较大尺寸的样品；（２）兼有熔炼和定向凝固的功能，熔炼好的合金液能自动底注到加热器内的型壳中；（３）定向凝固部分采用了先进的双区加热技术，既提高了温度梯度又减少了合金元素的烧损；（４）抽拉速度能在很大范围内调节。     

基于UG二次开发的单晶涡轮叶片浇注系统建模

单晶涡轮叶片的制备通常采用定向凝固技术在真空炉中进行,适用于单晶凝固模拟的有限元模型结构复杂,前处理难度大。针对此问题,基于UG二次开发实现了单晶涡轮叶片浇注系统的参数化建模,简化复杂浇注系统的设计工作,提高建模效率和准确性。参数化建模同时会自动消除浇注系统各部分的重合面,从而在网格剖分时避免交错面的产生,减少网格错误,节省前处理时间。     

A novel route for growing single-crystal and internal-stress-induced martensitic transformation of ferromagnetic shape memory alloys Co50Ni20Ga30

As a new single-crystal preparation method, undercooling directional solidification has been proposed for the case of the ferromagnetic shape memory Co₅₀Ni₂₀Ga₃₀ rod. The as-grown single crystal has strong [1 1 1] orientation and a very homogenous composition along the rod axis, which confirms that the undercooling directional solidification is a feasible and effective approach for preparing Co-Ni-Ga single crystals. Additionally, the drastically increased transformation temperatures upon undercooling was ascribed to the internal stress induced martensitic transformation.