航空镍基高温合金叶片定向凝固过程多尺度耦合数值模拟研究

发布时间：2020-10-18 05:53

　　 精密铸造定向凝固工艺是整体铸造复杂形状高温合金叶片的主要技术,被广泛应用于航空类高温复杂零部件成形制造中。目前,定向凝固过程实验研究无法直观地反映工艺-物理场-凝固组织之间影响过程机理,而数值模拟研究在一定程度上虽然能得到一些定向凝固过程工艺影响规律和组织演变机理,但由工艺到铸件凝固组织是一个涉及多尺度耦合的过程,单个尺度的数值模拟研究常常忽略了定向凝固过程的多尺度联系,易导致无法实际准确表征定向凝固组织演化过程机理。据此,本文针对实际航空镍基高温合金叶片精密铸造定向凝固工艺过程,采用数值模拟与实验研究方法,系统研究了定向凝固过程宏观尺度传热、微观尺度组织生长及介观晶粒演化生长行为与机理,深入探索了多物理场多尺度之间耦合作用对凝固组织的影响规律,开发了基于华铸CAE定向凝固过程多尺度数值预测分析系统,并应用于航空单晶叶片定向凝固过程的工艺优化,科学指导实际生产。主要研究工作与取得的成果如下。开展了定向凝固过程多尺度实验。在宏观尺度上,研究了定向炉膛设备传热关键位置和铸件系统温度场分布规律,结果表明,对于隔热板不同位置,隔热板内部位置温度场相对最稳定,对于水冷铜环不同位置,越往下远离加热区和隔热区,其温度场越不稳定;在微观尺度上,研究了镍基高温合金定向凝固柱状晶组织的演化规律,结果表明,该镍基高温合金定向凝固柱状晶局部横截面枝晶尺寸最大超过了500微米,一次枝晶间距大小为0.189 mm;在介观尺度上,分析介观晶粒在定向温度场作用下的竞争生长规律,结果表明,随着沿Z轴正方向凝固生长,各截面晶粒数逐渐降低,但晶粒尺寸逐渐增大。构建了定向凝固过程多尺度耦合数学模型。在宏观尺度上,修正了定向凝固过程宏观尺度传热数值模型;在微观尺度上,改进了微观组织生长数值模型;在介观尺度上,建立了适用于有限区域多晶粒介/微观组织演化数值模型;最后,综合宏观传热模型与介/微观晶粒演化模型,同时考虑初生枝晶-二次共晶耦合生长,构建全尺寸铸件的直接凝固组织演化多尺度耦合模型。在定向凝固过程宏观尺度传热研究上,提出了一种针对定向凝固炉膛中复杂铸件系统的变时间步长特征射线动态追踪算法,并改进了差分网格外表面辐射热量数值计算精度。对定向凝固抽拉阶段多个叶片宏观温度场进行了数值模拟研究,模拟结果表明,模壳最终温度场呈现中心径向对称分布,模壳径向向外的外表面温度场都大于模壳径向向内的表面温度场。在定向凝固微观尺度组织研究上,改进了CA数值模拟方法,采用27点溶质场离散格式对微观枝晶生长过程进行了数值离散求解,对微观枝晶生长进行了数值模拟分析,结果表明,在入口速度V为5.0×10~(-4) m·s~(-1)时,随着过冷度的增大,枝晶形貌非对称性生长影响逐渐减小,在过冷度ΔT为4 K时,随着入口速度的增大,枝晶形貌非对称性生长影响逐渐增大;取向越大的枝晶其枝晶臂形貌更繁茂,更易阻碍淘汰邻近其它枝晶的生长。在定向凝固介观尺度组织研究上,提出了一种在同一介观网格尺度下定量计算固相分数的晶粒界面追踪模拟算法,并研究了形核参数对定向凝固组织等轴晶向柱状晶的影响规律,模拟结果表明,当平均过冷度与过冷度方差比值逐渐增大时,熔体内部的形核参数将逐渐对铸件组织影响减小。研究了冷却速率、温度梯度对凝固晶粒尺寸及组织结构(ECT)分布的影响规律,模拟结果表明,随着冷却速率的增大,等轴晶晶粒尺寸由粗大变细小,晶粒数明显增大,同时温度梯度的增加能促进了柱状晶的快速生长,从而抑制晶粒形核数。在定向凝固宏-介/微观多尺度耦合研究上,对单晶叶片引晶段与选晶段凝固组织演变过程进行数值模拟分析,模拟结果表明,在低抽拉速度下,可提高选晶器淘汰晶粒个数,但将延长选晶距离。对全尺寸单晶叶片定向凝固组织进行数值模拟分析,模拟结果表明,当减小叶片变截面尺寸时,可有效抑制杂晶形成。最后,设计开发了基于华铸CAE的定向凝固多尺度模拟软件数值计算模块。对定向凝固缩松缩孔进行数值模拟分析,模拟结果表明,在不同视角下,缩松缩孔分布在引晶段顶端边缘与叶冠边缘,其中缩孔只分布于叶冠处。对单晶叶片定向凝固组织演变过程进行多尺度模拟工艺优化,模拟结果直观体现了宏观等温线内凹形状容易在具有复杂外形的单晶铸件平台形成较大过冷度,导致产生杂晶缺陷,而水平或者外凸形状则不会导致杂晶。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V232.4;TG244.3
【部分图文】：

华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文相关的影响机理尚不明确，图 1-2 为凝固尺度定义分类。除此之外，在定向凝固过程中，其定向炉膛的复杂辐射传热、高度真空及动态抽拉等特性会导致实验研究具有一定的局限性和风险性，采用传统试验-修正的往复试错研究方法耗时耗力，因此，如何高效地、精确地获取不同尺度之间“工艺-多场-组织”变化规律，为实际生产性能优良的涡轮叶片成为目前亟待解决的研究难点。

华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文相关的影响机理尚不明确，图 1-2 为凝固尺度定义分类。除此之外，在定向凝固过程中，其定向炉膛的复杂辐射传热、高度真空及动态抽拉等特性会导致实验研究具有一定的局限性和风险性，采用传统试验-修正的往复试错研究方法耗时耗力，因此，如何高效地、精确地获取不同尺度之间“工艺-多场-组织”变化规律，为实际生产性能优良的涡轮叶片成为目前亟待解决的研究难点。

Carter 等[31]对螺旋型选晶器进行了拓展研究原理。然而，HRS 法只是采用有限的辐射换热和冷端在较大的热损失，难以形成较高的温度梯度。为了获在 HRS 法基础上，美国 P&W 公司 Giamei 等[32, 33]在冷却法（Liquid metal cooling method，简称 LMC 法）件浸没于液态金属中，而液态金属具有高导热和低熔梯度，但 LMC 法仍存在液态金属有毒、设备结构复在定向凝固方法中的获得更高的过冷度，Lux 等[34]提 undercooling directional solidification，简称 DUDS 法温度梯度实现快速定向凝固法（LRM 法），西北工业度定向凝固（ZMLMC）方法，考虑到上述定向凝固用化程度[38]，截止到目前，HRS 法和 LMC 法仍是精用最广泛的两种方法，图 1-1 为两种定向工艺过程示

本文编号：2845896