CAFE模型模拟研究螺旋选晶器几何参数对选晶的影响

发布时间：2017-04-16 01:24

  本文关键词：CAFE模型模拟研究螺旋选晶器几何参数对选晶的影响，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：镍基单晶高温合金是一种通过特殊的手段使合金中只有一个晶粒存在的镍基高温合金,由于不存在晶粒之间的晶界,几乎不会出现裂纹源,在高温环境下服役时的热疲劳性能、抗热腐蚀性能和抗蠕变性能较之高温合金得到了明显的提高,是目前航空发动机,燃气涡轮机叶片制备的主要材料之一。镍基单晶合金是面心立方晶格结构,在其100、001、010三个晶体取向中,001方向的晶粒具有最佳的综合力学性能。因此,将单晶合金叶片中001晶体取向控制到与其主应力轴方向尽可能一致便成了叶片控制的关键技术之一。本文采用CAFE模型模拟了第二代镍基单晶高温合金CMSX-4通过螺旋选晶器制备的过程。探讨了直接型、圆柱型、复合型三种过渡段的螺旋选晶器之间的区别以及螺旋选晶器引晶段几何参数(直径D和高度H),选晶段几何参数(螺升角?、螺旋直径sD和螺旋线直径hd)对选晶效果的影响及其选晶机制。结论如下:(1)引晶段的主要作用是优化晶粒取向,其对晶粒的选择主要由两个因素控制:选晶的早期阶段的晶粒竞争生长作用和选晶后期阶段的模具壁阻碍晶粒生长作用。选晶段的主要作用是选出单一晶粒,对取向没有优化作用,其对晶粒的选择只与其在选晶段中所处的位置有关,通常位于螺旋通道内侧的晶粒会被选出作为最终单晶。(2)直接型过渡段螺旋选晶器的选晶效率最好,圆柱型过渡段螺旋选晶器次之,复合型过渡段螺旋选晶器最差。圆柱型过渡段螺旋选晶器的选晶质量最好,直接型过渡段螺旋选晶器次之,复合型过渡段螺旋选晶器选晶质量最差。对于圆柱型过渡段螺旋选晶器,增加圆柱过渡段的高度可以进一步提高其选晶质量。(3)引晶段直径的减小和高度的增加都可以提高晶粒取向的优化,使得进入选晶段的晶粒偏转角较小,选出的最终单晶符合要求。但过小直径和过大高度又会使得从引晶单进入选晶段的晶粒数较少,选晶段无法发挥其优选作用。根据模拟结果,引晶段的直径设计在24~30mm,高度设计在30~36mm以内较为合适。(4)选晶段螺升角?、螺旋直径sD和螺旋线直径hd这些几何参数对选出的最终单晶取向没有优化作用,而对选晶效率有明显的影响。随着螺旋直径sD的增大,螺升角?或螺旋线直径hd的减小,选晶效率得到明显提高。根据模拟结果,对于选晶段的设计,螺升角的设计应处于25~35°以内,螺旋直径应设计在11~16mm,螺旋线直径应设计在4~6mm以内。
【关键词】：CAFE模型 螺旋选晶器 选晶质量 选晶效率 CMSX-4合金
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG132.3
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-19
• 1.1 引言10-11
• 1.1.1 镍基单晶高温合金的发展10-11
• 1.2 镍基单晶高温合金的制备11-13
• 1.2.1 籽晶法11-12
• 1.2.2 选晶法12-13
• 1.3 微观组织的数值模拟发展概况13-16
• 1.3.1 确定性方法(Deterministic Modeling)14-15
• 1.3.2 随机性方法(Stochastic Modeling)15-16
• 1.3.3 相场法(Phase Field Modeling)16
• 1.4 螺旋选晶器选晶过程的研究现状16-17
• 1.5 本论文的主要研究工作17-19
• 2 CAFE模型19-28
• 2.1 有限元法（FEM）19-21
• 2.1.1 传热模型19-20
• 2.1.2 辐射模型20
• 2.1.3 流动模型20-21
• 2.2 元胞自动机模型（CA）21-25
• 2.2.1 CA法的基本思想21
• 2.2.2 CA的基本组成和特征21-23
• 2.2.3 形核模型23-24
• 2.2.4 生长模型24-25
• 2.3 CA与FE模型的耦合25-26
• 2.4 CAFE模型的计算方法26-27
• 2.5 模拟参数的确定27-28
• 3 过渡段几何参数对选晶效果的影响28-35
• 3.1 引言28
• 3.2 直接型螺旋选晶器模拟结果28-29
• 3.3 圆柱型螺旋选晶器模拟结果29-31
• 3.4 复合型螺旋选晶器模拟结果31-33
• 3.5 本章小结33-35
• 4 引晶段几何参数对选晶效果的影响35-46
• 4.1 引言35
• 4.2 引晶段中晶粒生长过程和选晶机制35-39
• 4.3 引晶段直径对选晶的影响39-41
• 4.4 引晶段高度对选晶的影响41-44
• 4.5 本章小结44-46
• 5 选晶段几何参数对选晶效果的影响46-57
• 5.1 引言46
• 5.2 选晶段的选晶过程和选晶机制46-49
• 5.3 选晶段螺升角θ对选晶的影响49-52
• 5.4 选晶段螺旋直径Ds对选晶的影响52-54
• 5.5 选晶段螺旋线直径dh对选晶的影响54-55
• 5.6 本章小结55-57
• 6 结论57-58
• 参考文献58-64
• 攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果64-65
• 攻读硕士学位期间参与的科研项目65-66
• 致谢66-67

【参考文献】

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本文编号：309716