镍基单晶空心涡轮叶片定向凝固过程模拟及组织控制研究

发布时间：2020-06-21 06:32

【摘要】：随着涡轮叶片工作温度不断提高使得制备叶片的镍基单晶高温合金的合金化程度越来越高、叶片内部气冷结构也越来越复杂,这导致了单晶叶片铸造性能下降、单晶率难以控制,高温下氧化行为也更加复杂。计算机软硬件技术的提高使得数值模拟技术发展迅速,通过数值方法可模拟航空发动机涡轮叶片的定向凝固过程,计算机数值模拟技术将定向凝固变成“可视化”的过程,即不同工艺参数下温度场糊状区的分布及单晶组织的生长都可以通过模拟结果直观描述出来,为单晶定向凝固提供了便捷、准确的研究手段。本论文采用计算机模拟结合定向凝固实验的方法,重点研究了单晶空心涡轮叶片定向凝固过程及组织控制,主要内容和结论如下。(1)对选晶器的选晶过程进行了模拟和实验研究。研究发现,随着固液界面在[001]方向上的不断推进引晶段一次枝晶间距逐渐增大,晶粒偏转角逐渐减小,取向得到优化;抽拉速度会对温度场产生影响进而影响组织生长的倾斜程度;引晶段高度对晶粒有明显的优化作用因而实际定向凝固过程中,应制定合适的抽拉速度和高度;螺旋段本身并不能优化晶粒的取向。(2)对单晶空心叶片的温度场进行了模拟研究。研究表明,型芯的温度场和叶身的温度场分布总体趋势相同,但型芯的温度曲线相较于叶身更为平滑。型芯对叶片具有保温作用且型芯越厚,保温效果越好。型芯的保温作用、叶片的结构和叶片与保温加热器的距离三者共同决定了单晶空心叶片叶身不同位置处温度场分布的不同。不同的抽拉速度下单晶空心叶片定向凝固过程的温度场也会产生变化。(3)探讨了单晶叶片变截面处的组织凝固及温度场分布规律,分析了叶片缘板处杂晶的形成机制。结果表明,变截面处的晶体生长是叶身生长上来的单晶组织最先到达温度最低的边缘处,然后向四周生长,并不断向变截面中心推进,最后与叶身生长上来的单晶组织汇合。壁厚的差异对一次枝晶的影响较大,随着壁厚的增加,枝晶间距逐渐增大。同时还采用变速抽拉技术优化了定向凝固工艺参数。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG132.3
【图文】：

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虽然Sn有上述优点，但其作为高温合金五大有害元素之一，可能会对高温合金造成污染而影响铸件表面质量。图1.1 高速凝固法（HRS）示意图[29]Fig.1.1 Schematic show of high rate solidification method (HRS)[29]

示意图,示意图,铸件,上浮法

江苏大学硕士学位论文5图1.2 液态金属冷却法（LMC）示意图[31]Fig.1.2 Schematic show of liquid metal cooling method (LMC)[31]近年来，国内外又相继出现一些新型的定向凝固技术。瑞士ABB公司[32]开发的气体冷却法（GCC法），利用高速惰性气体对流的方式对辐射挡板下边铸件进行冷却凝固，制得的单晶高温合金铸件性能具有明显的提升，其一次枝晶间距从450μm变为320μm，但由于部分气体紊乱，很容易渗入炉体保温区内部，引起温度不断下降，使得冷却效率降低。马德新教授[33,34]提出的薄壳上浮法，该方法可极大的简化生产设备，能使型壳厚度极大减小，叶片的传热和单晶生长得到更加准确的控制

【参考文献】