DD3高温合金定向凝固仿真与选晶器设计

发布时间：2020-06-15 05:29

【摘要】：高温合金对于航空发动机和燃气轮机的发展至关重要,制备高温合金单晶叶片主要涉及材料和工艺两部分。目前制备镍基高温合金叶片最主要的工艺是基于Bridgman的铸件移出或膜壳移出法的快速凝固法(HRS)。对定向凝固高温合金凝固过程和微观组织的模拟,研究高温合金的重要手段和方法,相较于实验,具有周期短、成本低等特点,是国内外学者研究的重点和热点方向。本文针对DD3镍基高温合金的定向凝固进行数值模拟,研究不同工艺条件对定向凝固温度场和微观组织的影响,并揭示其作用机制,研究选晶器引晶段和选晶段晶粒形核/生长行为,确定选晶器设计规范。(1)将多组元的镍基高温合金拆分成多组二元系合金,阐述凝固过程数学模型和微观动力学模型并据此计算出模拟所需的各种参数,包括溶质分配系数、液相线斜率等。(2)对定向凝固两个重要工艺参数:抽拉速度和加热区温度进行研究,采用控制变量法研究这两个工艺参数对凝固过程和微观组织的影响和规律,模拟结果表明:提高抽拉速度,能够提高液相区温度梯度,细化枝晶组织,但抽拉速度提高,糊状区宽度增加、位置下移、界面下凹,杂晶倾向增加;提高加热区温度,可以提高固相区温度梯度从而提高液相区温度梯度,细化枝晶组织;分析并确定平台处糊状区杂晶产生的原因(3)对选晶器引晶段引晶行为进行研究,利用UG建模软件绘制直径为15mm、高度为100mm的圆棒,对圆棒进行凝固模拟以及CAFé模拟。棒状式样中晶粒密度随着距离水冷铜台距离的增加而不断下降:0~10mm为指数下降区、10~40mm为线性下降区、40mm以上为稳定区;晶粒取向与距离水冷铜台的距离的关系类似。在距离水冷铜台30~40mm的距离上,晶粒取向偏离应力主轴方向平均偏离角度在10°左右,晶粒密度基本不再变化,因此引晶段高度应设为30~40mm之间,本文设置为36mm。(4)对选晶器螺旋段选晶行为进行研究,利用UG绘制不同螺旋升角的选晶器,对不同装配有不同选晶器的模型进行铸造凝固模拟和CAFé模拟。根据研究结果分析,螺旋段实现选晶主要是通过螺旋段在纵向方向对晶粒一次晶的阻碍作用,在横向方向对晶粒二次晶的促进作用。晶粒的淘汰与进入选晶器的位置存在直接关系,靠近螺旋选晶器下沿晶粒将获得生长优势。螺距s~h和螺旋段直径w~d以及螺旋升角θ之间应当满足h_sd_wtanθ。螺旋升角对晶粒取向偏离应力主轴(本文中为叶片纵向方向)平均偏差并没有明显作用。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V233;TG132.3
【图文】：

Bridgman法,温度梯度,晶体取向,问题

- 8 -图 1-2 功率降低法Fig.1-2 Power reduction resolution为了克服功率降低法温度梯度较低和晶体取向差问题，将 Bridgman 法[44]应用到定向凝固中，从而发展出了快速凝固法[45]（High Rate Solidification，HRS）。Bridgman 法利用了铸型移出技术，通过隔热板和水冷套实现，铸件以一定的速度移出铸型或者铸型以一定的速度移出铸件，从而获得较高且比较稳定的温度梯度、稳定的单向热流。快速凝固法中，凝固刚开始时，主要通过水冷铜台的激冷作用将热量导出，随着凝固的进行，凝固的固态组织越来越多从而导致金属液与水冷铜台的热阻越来越大，固相温度梯度越来越低进而导致固液界面前沿的温度梯度逐渐降低。为了克服快速凝固法固液界面前沿温度梯度会随着凝固的进行逐渐降低的缺点，一些新的定向凝固技术被提出来，典型的有液态金属冷却法（Liquid Metal

温度场模拟,阶段,铸造工艺,凝固过程

图 1-3 快速凝固法[46-47]图 1-4 液态金属冷却法[48][48]Fig.1-3 High Rate Solidification Fig.1-4 Liquid Metal Cooling1.4 铸造数值模拟技术的发展概括1.4.1 铸造模拟仿真技术的过去及现状对铸造过程的数值模拟属于铸造领域的前沿研究方向，是涉及凝固学、计算机科学、信息技术、物理学等多学科融合的新兴研究方向，按照研究研究的侧重点不同，可以分为充型过程模拟、凝固过程模拟、温度场模拟、微观组织模拟、缺陷预测和力学性能模拟等[49]。经过几十年的探索与研究，铸造的数值模拟，经历了基础研究阶段、预测研究阶段和优化研究阶段等三个阶段，部分技术上取得了一系列的成果，已经达到工程实用阶段，尤其对凝固的温度场模拟已经相当成熟[39]。铸造模拟主要是通过对铸造工艺的充型和凝固过程进行模拟，进而研究并确定工艺参数对铸件组织和性能的影响和规律，并根据研究成果制定铸造工艺并对实际生产的工艺进行改进，相对于传统的确定工艺的方法，采用数值模拟方法可[50]

【参考文献】