单晶高温合金杂晶形成倾向性数值模拟

采用液态金属冷却法(LMC)实现定向凝固,运用ProCAST有限元软件包计算了DD483高温合金的定向凝固过程。在试验验证获得合理模拟参数的基础上,模拟抽拉速度和平台尺寸对高温合金变截面试样定向凝固过程温度场的影响,并采用ProCAST中的元胞自动机(CA)与有限元(FE)耦合模块计算相应条件下的微观组织,探究拉速和平台尺寸对高温合金变截面试样平台区域杂晶形成的影响。结果表明,冷却曲线模拟结果与试验结果吻合良好;拉速越大,杂晶形成倾向越大;同样,平台尺寸越大,杂晶形成倾向也越大;试样平台尺寸越大,获得单晶的临界拉速越小。     

液态金属冷却法制备DD403合金过程温度场和晶粒组织的数值模拟

采用ProCAST和CAFE模型模拟了镍基单晶高温合金DD403定向凝固过程中的温度场及晶粒组织。研究了抽拉速率对变截面单晶铸件杂晶形成和铸件板身固液界面形状和位置的影响规律,得到了单晶铸件不出现杂晶的最大抽拉速率——临界抽拉速率(V c)。结果表明,当采用150μm/s的抽拉速率时,对于液态金属冷却(LMC)技术,铸件平台的凝固顺序是从中心到两边,杂晶形成倾向较小;而在高速凝固(HRS)条件下,铸件平台的边缘首先冷却,平台边缘容易出现大的过冷而产生杂晶。在本实验条件下,采用HRS技术,临界抽拉速率不得高于125μm/s;采用LMC技术,最大抽拉速率不宜超过150μm/s,否则可能会在螺旋段或平台处形成杂晶。当抽拉速率为150μm/s时,采用LMC法获得的板身部位的轴向温度梯度(G a)是HRS法的2倍多;一次枝晶臂间距(PDAS)减小了1/3~1/2,且沿铸件轴向的轴向温度梯度和一次枝晶臂间距均较HRS均匀。当抽拉速率在50~200μm/s范围内增大时,采用LMC技术,铸件板身的固液界面始终保持平直且逐渐下移至隔热挡板中部;而HRS条件下,固液界面逐渐下凹并下移至挡板下方。     

抽拉速度对单晶叶片定向凝固过程的影响

建立了单晶高温合金涡轮叶片定向凝固过程数值计算的有限元模型,利用Pro CAST软件模拟计算了叶片在定向凝固工艺下不同抽拉速率时叶片凝固过程的固-液界面形状、纵向温度梯度、冷却速率和二次枝晶间距,预测了抽拉速率对杂晶形成的影响。结果表明,随着抽拉速率增大,温度梯度略有降低,二次枝晶间距减小;随着抽拉速率增大,叶片冷却速率增大,而起晶器和选晶器中的冷却速率不受抽拉速率的影响。     

镍基高温合金单晶叶片凝固组织模拟

采用CAF模型对DZ445高温合金单晶叶片定向凝固组织进行了数值模拟,在CAF模型中分别采用高斯分布连续形核模型和扩展KGT模型描述晶粒形核和枝晶尖端生长速率,研究了组模方式和抽拉速率对叶片凝固组织的影响。结果表明,倾斜组模可消除缘板杂晶,但可能会引入新的杂晶;抽拉速率越小越易形成单晶,抽拉速率越大越易形成杂晶;分段变速抽拉可消除缘板杂晶,但变速的位置距缘板应保持一定距离,此距离随叶片尺寸和抽拉速率而发生变化。     

不同模组结构高效制备单晶叶片定向凝固过程的温度场及组织模拟

针对18个单晶高温合金叶片高效制备过程中温度场不均匀而导致的杂晶缺陷问题，设计了3种不同的单晶叶片模组结构，采用ProCast软件和CAFE模块对第2代单晶高温合金DD6不同模组结构在高速凝固工艺下的温度场和晶粒组织进行模拟研究，分析了不同模组结构下叶片的温度场演化和抽拉速率对杂晶的影响。结果表明，单层模组由于中柱的保温作用较小，导致叶片近中柱侧的散热效率高于近炉壁侧，凝固过程固液界面弯曲严重，凝固过冷大，杂晶形成倾向大；通过对单层模组添加套筒，以加强保温作用，可有效改善温度场，减小固液界面弯曲程度，避免杂晶形核；而双层叠加模组温度场分布均匀，凝固过冷小，杂晶形成倾向小。套筒模组和双层叠加模组在抽拉速率小于100μm/s时均无杂晶形成，但双层叠加模组将模组直径缩小为其余2种模组结构的一半，降低了对炉体型腔尺寸的要求，有望实现单晶叶片的高效制备。     

不同拉速对变截面DZ417G高温合金定向凝固组织的影响

采用变截面形状的坩埚,研究DZ417G高温合金在不同拉速下定向凝固组织的变化情况,发现在低于150μm/s的拉速下,变截面对凝固组织影响很小,凝固组织生长具有良好的延续性,变截面处杂晶的形成起源于小截面段枝晶尖端破碎从而产生杂晶,截面变大时促进了杂晶的生长;在250μm/s的拉速下,变截面处存在足够大的横向温度梯度,凝固组织在变截面处产生杂晶。     

高温合金单晶叶片定向凝固过程的宏微观数值模拟

基于有限元和Panda热动力学数据库建立了单晶叶片真空熔模铸造定向凝固过程的数理模型,对不同工艺下单晶叶片试样凝固过程中的温度场、糊状区演变及枝晶二次臂间距进行了仿真,研究了缺陷形成机理和规律。计算结果与实验吻合良好。计算结果显示,拉速大时二次臂细小,但杂晶产生的趋势加大;拉速小时杂晶不易形成,但二次臂增粗。对实际空心薄壁复杂单晶叶片定向凝固过程的模拟研究表明,二次臂间距在叶身部分分布比较均一, 3.5 mm/min抽拉时有可能在缘板处产生杂晶。采用变拉速工艺,不仅可避免杂晶缺陷,还能保证工件大部分枝晶细小,提高生产效率和成品率     

抽拉速率对DD5单晶高温合金定向凝固组织及偏析的影响

研究了高速凝固条件下抽拉速率对DD5单晶高温合金定向凝固组织的影响。结果表明：随着抽拉速率的增大,DD5合金枝晶组织逐渐细化,一次枝晶间距减小;偏析程度加重;γ′相尺寸减小且趋于规则的立方状,枝晶干γ′相的尺寸小于枝晶间;γ/γ′共晶含量、碳化物含量和显微疏松随抽拉速率增大而增加,而γ/γ′共晶和碳化物的尺寸减小。     

定向凝固方法对叶片类DZ125高温合金铸件显微组织及晶体取向的影响(英文)

对应用液态金属冷却(LMC)和高速凝固(HRS)方法制备的叶片状高温合金铸件的铸态组织进行了研究,以比较2种定向凝固方法的优缺点。分别对沿铸件凝固方向不同截面位置处的晶粒取向、一次枝晶间距和γ′相尺寸进行了分析。结果表明,对于HRS铸件的中部截面,枝晶的<001>方向偏离铸件轴向的最大角度在抽拉速率由40μm/s提高至110μm/s的过程中不断减小。在70μm/s的抽拉速度下,LMC铸件中部截面处的中心区域内晶粒的最大偏离角度要大于HRS铸件的相应位置处的偏离角,但是晶粒的整体取向却呈现较HRS铸件更集中的趋势。铸件顶部截面处的枝晶组织比中部截面处要粗大,这种现象在HRS铸件中更严重。γ′相尺寸在铸件由叶身位置凝固至平台位置的过程中不断粗化。但当抽拉速率高于70μm/s时,叶身位置和平台位置之间γ′相尺寸之间的差异在LMC铸件中更小。     

Effect of Directional Solidification Methods on the Cast Microstructure and Grain Orientation of Blade Shaped DZ125 Superalloy

对应用液态金属冷却(LMC)和高速凝固(HRS)方法制备的叶片状高温合金铸件的铸态组织进行了研究,以比较2种定向凝固方法的优缺点。分别对沿铸件凝固方向不同截面位置处的晶粒取向、一次枝晶间距和γ′ 相尺寸进行了分析。结果表明,对于HRS铸件的中部截面,枝晶的<001>方向偏离铸件轴向的最大角度在抽拉速率由40 μm/s提高至110 μm/s的过程中不断减小。在70 μm/s的抽拉速度下,LMC铸件中部截面处的中心区域内晶粒的最大偏离角度要大于HRS铸件的相应位置处的偏离角,但是晶粒的整体取向却呈现较HRS铸件更集中的趋势。铸件顶部截面处的枝晶组织比中部截面处要粗大,这种现象在HRS铸件中更严重。γ′ 相尺寸在铸件由叶身位置凝固至平台位置的过程中不断粗化。但当抽拉速率高于70 μm/s时,叶身位置和平台位置之间γ′ 相尺寸之间的差异在LMC铸件中更小     

液态金属冷却法制备重型燃机定向结晶空心叶片凝固过程的实验与模拟

利用高温度梯度定向凝固-液态金属冷却(LMC)技术制备了重型燃机定向结晶空心高压涡轮叶片,采用Pro CAST有限元模拟软件计算了LMC定向凝固工艺下,不同抽拉速率时空心定向结晶叶片凝固过程的温度场、晶粒组织以及一次枝晶间距(PDAS),预测了抽拉速率对杂晶、雀斑等缺陷的影响.结果表明,模拟结果与实验结果吻合良好.随着抽拉速率增加,叶片的凝固速率、冷却速率均增加,远高于高速凝固法(HRS)的凝固速率、冷却速率;叶片不同部位达到最大纵向温度梯度时的抽拉速率不同,纵向温度梯度是评价定向工艺的有效方法;LMC工艺制备的燃机叶片消除了雀斑缺陷,PDAS远小于HRS工艺.     

液态金属冷却法制备单晶铸件凝固过程的实验与模拟

利用高温度梯度定向凝固技术--液态金属冷却LMC(liquid metal cooling)技术制备了单晶铸件,采用ProCAST 限元模拟软件包计算了LMC定向凝固工艺下,不同抽拉速度单晶高温合金铸件定向凝固过程的温度场,预测了拉速对单晶生长缺陷的影响.结果表明,模拟结果与实验结果吻合良好,计算的温度曲线在1100℃以上与实测温度曲线相比误差小于5%;随着抽拉速度的增加,凝固界面下凹,曲率增加,铸件缘板处出现杂晶的倾向增大.     

抽拉速率对定向凝固镍基高温合金组织和偏析的影响

研究了抽拉速率对一种定向凝固镍基高温合金组织与偏析的影响。结果表明,随着抽拉速率的增加,固液界面由平界面向胞状,再到粗枝状,最后到细枝状的演变过程,枝晶不断细化;一次和二次枝晶间距不断变小,γ′相形貌越来越呈规则的立方体,γ′尺寸逐渐变小。元素偏析程度先增大后减小,并在100μm/s时到达峰值;共晶和碳化物尺寸均随着抽拉速率的增大而变小,碳化物和共晶体积分数随抽拉速率增大而增大。     

抽拉速率对定向凝固高温合金DZ445微观组织和力学性能的影响

研究不同抽拉速率(4,5,7,9,10 mm/min)对定向凝固DZ445高温合金微观组织和力学性能的影响.结果表明:随着抽拉速率由4mm/min增加到10mm/min,一次枝晶臂间距λ<,1>和二次枝晶臂间距λ2逐渐减小,枝晶组织逐渐细化;枝晶干和枝晶间γ'相尺寸也逐渐减小,枝晶间γ'相的尺寸比枝晶干γ'相的大,这种差别随着凝固速率的增加而减小;合金元素的偏析随凝固速率的增大越来越严重;除抽拉速率为4 mm/min外,抽拉速率对DZ445合金室温拉伸性能影响不大;当抽拉速率太高或者太低时,合金650℃拉伸伸长率均明显降低;抽拉速率对合金的持久性能影响明显;当抽拉速率为7 mm/min时,合金的拉伸性能、持久性能和微观组织达到综合平衡,为最佳抽拉速率;DZ445定向柱晶合金比同成分K445等轴晶合金具有更好的室温和高温拉伸性能及持久性能.     

凝固速率及铼对镍基单晶高温合金叶片小角度晶界的影响

利用高速凝固(HRS)技术制备了不同成分单晶模拟叶片铸件,分析了截面渐变过渡区和截面突变平台处的组织特征。结果表明:在过渡区,枝晶排列由中心向边缘靠近,取向偏离有累加的趋势;在抽拉速率75、100、150μm/s下,试样平台处均出现了小角度晶界,晶界角度在75μm/s下最大,为6.8°;对不同含Re试样分析表明:随着Re含量的增加,平台处晶界角度增大。     

试样截面尺寸变化对高温合金DZ125定向凝固组织的影响

采用截面变化的DZ125高温合金试样进行液态金属冷却定向凝固,抽拉速率为25μm／s、50μm／s、100μm／s和500μm／s,获得了截面变化前后的稳定组织以及截面变化区的组织演变。结果表明,当凝固顺序由大截面向小截面时。一次枝晶间距变窄,抽拉速为500μm／s,枝晶生长方向发生偏转。随着试样比表面积的增大,一次枝晶间距减小。由于截面的变化,组织的演化是一个渐变的过程,不同的冷却速率和凝固顺序都影响着组织的演化过程。     

基于ProCast的镍基单晶高温合金数值模拟

采用ProCast软件和CAFE模型对不同工艺条件下的DD3镍基高温合金的定向凝固过程进行了模拟,分析了抽拉速度对糊状区的影响及加热区温度和抽拉速度对定向凝固温度场和枝晶二次臂间距的影响规律。结果表明,提高加热区温度和抽拉速度,可以获得更细化的微观组织,降低二次枝晶臂间距,但是抽拉速度过大,糊状区宽度变宽,糊状区位置下移,界面下凹,叶片平台处容易出现杂晶,因此抽拉速度需要控制在一个合理范围内。     

单晶高温合金铸件结构对定向凝固过程中温度场的影响

为了提高单晶涡轮叶片的气冷效果,其冷却通道内部结构越来越复杂,导致制备过程中凝固缺陷出现频率增高,凝固缺陷的形成与定向凝固过程中温度场演变密切相关。采用ProCAST数值模拟的方法研究了铸件结构对定向凝固过程中温度场的影响。结果表明,单晶高温合金铸件尺寸突变和渐变都会导致液固界面位置和温度梯度的变化;相比渐变截面结构,突变截面结构容易形成较大的凝固界面曲率,且边角处形成较大的过冷,更容易导致凝固缺陷的形成。     

抽拉速率对DZ951合金组织和性能的影响

系统研究了抽拉速率对DZ951合金组织和性能的影响.试验结果表明:随着抽拉速率的增大,合金的定向凝固组织由粗枝状晶向细枝状晶演变,γ’相体积分数没有明显的变化但尺寸有所减小,而γ’相的形状逐渐趋向于规则立方;共晶含量、疏松水平和偏析程度都随抽拉速率的增加而变大;拉伸强度和伸长率都呈现出先减小而后增大的趋势.     

定向凝固Al-4.5%Cu合金枝晶组织与抽拉速率的关系

用自制下拉式定向凝固设备,在一定的温度梯度下,在20-220μm/s的抽拉速率范围制备定向凝固Al-4.5%Cu合金,并对其微观组织、特别是一次枝晶间距随抽拉速率的变化规律进行研究。结果表明：定向凝固微观组织随抽拉速率的增大呈细化趋势,其一次枝晶间距减小;当抽拉速率小于100μm/s时,枝晶间距随抽拉速率而减小的幅度较大;当抽拉速率大于100μm/s时,枝晶间距减小幅度较为平缓。在综合分析抽拉速率、界面生长速率、温度梯度等影响因素的基础上,推导出界面局域平衡条件下预测定向凝固次枝晶间距的理论模型,该模型能够较为准确地反映定向凝固一次枝晶间距随抽拉速率在100-220μm/s范围的变化规律,为定向凝固工艺获得特定组织而预先选配合适的工艺参数提供理论参考。