DD5合金单晶定向凝固温度场及杂晶控制的研究

发布时间：2017-05-17 15:28

  本文关键词：DD5合金单晶定向凝固温度场及杂晶控制的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：镍基单晶高温合金叶片制备过程中易产生杂晶、晶粒取向偏差、雀斑、组织粗大等缺陷。其中杂晶的出现破坏了单晶的完整性,极大的降低了叶片的力学性能及使用寿命。因此,控制镍基高温合金杂晶的形成对提高单晶叶片组织性能有重要的意义。基于此,本文利用计算机模拟仿真技术及实验研究,对DD5合金单晶定向凝固温度场及杂晶的形成生长规律进行了深入的研究,主要内容和结论如下。(1)利用了一种改进的Monte Carlo模型对抽拉过程的温度场进行理论分析,将影响温度场变化的多个参数简化为模壳表面散热单元的角度参数。结合数值模拟结果,获得了模壳位置、抽拉速度、模组数量等工艺参数对单晶定向凝固过程温度场的影响规律。隔热挡板上方,远炉壁侧散热速度较快,温度较低;隔热挡板下方,近炉壁侧散热速度较快。抽拉速度增加使得模壳表面散热单元在单位时间内可视角的增幅变大,模壳散热能力增强,造成温度场的倾斜程度增大。模组数量的增加,试样之间相互遮挡作用增强,远炉壁端散热能力减弱。(2)设计了一种具有不同变截面平台的试样。对其进行了温度场、糊状区及晶粒组织的数值模拟研究。结果表明,直径方向平台只存在过冷形核这一种杂晶形成方式,而弦方向平台杂晶的形成有纵向生长、横向生长、过冷形核这三种方式。因此在传统时间判据的基础上提出了改进的时间判据,用以判断变截面平台是否产生杂晶及产生杂晶的方式。(3)研究了抽拉速度及平台尺寸对杂晶形成的影响规律。抽拉速度增加,平台过冷度增加,临界平台尺寸ΔL(产生杂晶的平台最小尺寸)减小。3mm/min抽拉速度下,ΔL为20cm;7mm/min抽拉速度下,ΔL为14cm。在相同的抽拉速度下,平台尺寸的增大也会造成平台过冷度的增加,杂晶形成的倾向增加。(4)利用模拟仿真的方法优化了模壳的组模方式,并对杂晶的形成位置进行了预测。模拟结果与单晶定向凝固实验结果吻合良好,表明了仿真模拟结果的正确性。(5)对变截面试样平台的杂晶生长形貌进行了研究,结果表明:水平位置最低的平台产生了具有一定取向的杂晶,水平位置最高的平台没有杂晶形成,水平位置中间的平台产生了杂乱无序的杂晶。研究试样测温点冷却曲线发现:凝固界面离水冷铜盘越近,热传导及热辐射越强烈。随着平台高度的增加,叶片热传导及热辐射作用减弱,导致平台冷却速度及过冷度均减小,造成平台晶粒形貌的不同。
【关键词】：DD5合金 杂晶 变截面 仿真模拟 温度场
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG132.3
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 绪论11-25
• 1.1 选题意义11-12
• 1.2 高温合金的发展及定向凝固技术12-16
• 1.2.1 高温合金的发展12-13
• 1.2.2 定向凝固技术的发展13-15
• 1.2.3 单晶高温合金制备及应用研究进展15-16
• 1.3 温度场的测试及模拟研究16-17
• 1.3.1 温度场的测试16
• 1.3.2 温度场仿真模拟16-17
• 1.4 凝固组织模拟研究现状17-20
• 1.4.1 随机法18-19
• 1.4.2 相场法19-20
• 1.5 单晶定向凝固过程中存在的主要问题20-24
• 1.5.1 单晶定向凝固中常见的缺陷20-21
• 1.5.2 杂晶缺陷的研究进展21-24
• 1.6 本论文研究内容24-25
• 第二章 实验设计及方法25-31
• 2.1 数值模拟方法25-26
• 2.1.1 试样设计25-26
• 2.1.2 模拟仿真实验内容26
• 2.2 实验合金26
• 2.3 单晶定向凝固实验26-31
• 2.3.1 模壳制备27-29
• 2.3.2 试样制备29-30
• 2.3.3 定向凝固过程的测温30-31
• 第三章 定向凝固过程散热规律的研究31-41
• 3.1 定向凝固传热数学模型31-34
• 3.2 模拟结果及讨论34-39
• 3.2.1 试样及实验参数34
• 3.2.2 模壳与炉体相对位置对温度场的影响34-36
• 3.2.3 抽拉速度对温度场的影响36-37
• 3.2.4 模组数量对温度场的影响37-39
• 3.3 本章小结39-41
• 第四章 DD5合金杂晶生长及控制的模拟研究41-59
• 4.1 模型建立及参数设置41-43
• 4.1.1 晶粒形核及生长数学模型41-42
• 4.1.2 试样设计及模拟参数设置42-43
• 4.2 试样温度场及糊状区模拟研究43-48
• 4.2.1 试样纵截面温度场模拟结果43-45
• 4.2.2 横截面温度场模拟结果45-46
• 4.2.3 糊状区模拟结果46-48
• 4.3 平台杂晶形成及生长规律研究48-56
• 4.3.1 组织模拟结果48-49
• 4.3.2 平台杂晶的形成机制49-52
• 4.3.3 杂晶形成方式的模拟研究52-56
• 4.4 平台尺寸及抽拉速度对杂晶形成的影响规律56-57
• 4.4.1 平台尺寸对杂晶形成的影响规律56
• 4.4.2 抽拉速度对杂晶形成的影响规律56-57
• 4.5 本章小结57-59
• 第五章 变截面试样单晶制备工艺设计及优化59-71
• 5.1 组模方式对单晶生长影响的模拟研究59-62
• 5.1.1 试样尺寸及组模方式设计59
• 5.1.2 不同组模方式下试样定向凝固模拟研究59-62
• 5.2 变截面试样制备及结果分析62-68
• 5.2.1 变截面试样及平台试样制备62-64
• 5.2.2 变截面平台试样晶粒生长结果64-68
• 5.3 变截面平台晶粒生长规律研究68-70
• 5.4 本章小结70-71
• 第六章 结论71-73
• 参考文献73-82
• 致谢82-83
• 硕士学位期间发表论文及专利83

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