凝固过程研究与凝固技术的进展及其在材料加工中的应用（下）

定向凝固技术已较成熟.目前有几个新趋势.3.2.1高温合金单晶制备此方法已不限于航空发动机的单晶叶片生产。德国目前正在开发地面燃机的单晶叶片。叶片宽度达200一300mm、重达几十公斤。3. 2.2单晶生长的传统方法为选晶法,通     

高温合金涡轮叶片定向凝固过程数值模拟研究进展

高温合金涡轮叶片被广泛应用于航空发动机与燃气轮机,数值模拟技术能优化和改进涡轮叶片定向凝固工艺,提高成品率。本文总结了国内外高温合金涡轮叶片定向凝固过程宏、微观数值模拟模型,介绍了其发展趋势。对高速凝固(HRS)和液态金属冷却(LMC) 2种工艺下高温合金叶片宏观温度场、介观晶粒组织与微观枝晶组织做了模拟仿真,对比分析了2种定向凝固工艺下的传热过程和微观组织演化规律。介绍了变抽拉速率工艺在高温合金定向凝固中的应用,以实际叶片作为算例,对比了常抽拉速率与优化的变抽拉速率对涡轮叶片温度场、晶粒组织的影响。结果表明,优化的变抽拉速率工艺能够改变上凸或者下凹的糊状区形状,得到平直的糊状区与平行的晶粒组织,有利于提升叶片高温力学性能。     

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.     

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。     

抽拉速度对单晶叶片定向凝固过程的影响

以DD6高温合金作为单晶叶片试件合金材料，对固定抽拉速度、简单阶梯抽拉速度和多级阶梯抽拉速度下单晶叶片试件温度场、糊状区和凝固组织生长情况进行了数值模拟，并进行了定向凝固验证试验。结果表明：采用低速固定抽拉和多级阶梯抽拉速度能获得单晶完整性好的叶片试件；高速固定抽拉和简单阶梯拉速下单晶叶片试件在缘板产生杂晶；凝固组织数值模拟结果与定向凝固试验结果基本吻合。     

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     

镍基单晶高温合金DD3制备过程中晶粒演化和选晶行为的EBSD研究

采用选晶法在改进的Bridgman定向凝固炉上进行镍基单晶高温合金DD3定向凝固实验,研究了选晶法制备镍基单晶高温合金过程中晶粒组织演化和螺旋选晶行为,采用电子背散射衍射(EBSD)技术对晶粒的竞争过程进行分析.结果表明,选晶器引晶段的主要作用是优化晶粒取向,获得取向良好的<001>定向凝固组织.在距激冷板36.1 m...     

一种柱状晶辅助选晶制备镍基单晶高温合金的方法

提出了一种采用柱状晶辅助选晶的制备镍基单晶高温合金的方法。采用金相显微镜和电子背散射衍射（EBSD）等方法表征了单晶制备过程中显微组织及晶体取向。结果表明:柱状晶部分熔化,柱状晶边缘回熔界面附近形成大量杂晶,但只有<001>方向偏离定向凝固方向较小的晶粒能够长大。采用柱状晶选晶的方法能够在螺旋选晶器出口处获得<001>方向偏离定向凝固方向小于8°的单晶铸件。     

高温合金精密铸造技术研究进展

综述了高温合金多晶铸造、定向凝固、单晶制备等几种主要制备技术的原理、方法、研究现状和存在问题,分析了铸造高温合金晶粒组织控制、晶体取向选择和控制,介绍了单晶叶片的引晶和选晶原理和技术,对单晶铸造高温合金的缺陷进行了分析,并展望了高温合金精密铸造的今后发展方向。     

基于ProCAST二次开发的叶片LMC凝固特征模拟

燃气涡轮单晶叶片往往具有空心的复杂曲面结构和缘板、叶冠等横截面的突变,非常容易形成杂晶等缺陷。液态金属冷却(LMC)作为一种新型的定向凝固工艺有望解决这一问题,但是尚需用数值模拟进行辅助优化。文中建立了LMC数理模型,通过对ProCAST二次开发建立了浸入过程动态复合边界条件,实现了叶片LMC工艺下的温度场和枝晶参数的数值模拟,考察了工艺对温度梯度、糊状区形态、缺陷指数等凝固特征的影响。LMC能够得到比传统工艺更高的温度梯度和更小的糊状区宽度,在叶片厚大部位能够缩短局域凝固时间,得到更细的枝晶。同时,由于LMC的糊状区形态有利于单晶组织在缘板的推进,抑制了杂晶形核,因而提高了许用拉速,有利于提高生产效率和进一步细化组织、避免雀斑偏析和等轴晶转变(CET)趋势。     

重型燃气轮机叶片熔模铸造凝固过程数值模拟

建立了重型燃气轮机叶片真空熔模铸造凝固过程的数理模型,对不同工艺下凝固过程的温度场、糊状区演变及缩孔、缩松形成过程进行了仿真,研究了缺陷形成规律.结果显示,原有工艺下,两种浇注系统均在榫头部位出现缩孔或缩松,与实验结果吻合.采用定向凝固工艺可以避免重燃气轮机叶片产生铸造缺陷.     

不同制备方法对单晶高温合金取向特征的影响（英文）

在高温度梯度定向凝固炉中分别采用选晶法和籽晶法制备单晶高温合金,并采用XRD测定单晶的取向特征。结果表明,采用选晶法制备单晶高温合金时,在激冷板上随机形核的晶粒经过起晶段的竞争生长和螺旋段的选晶作用后,最终获得具有择优取向001的单晶。采用籽晶法制备单晶高温合金时,通过重熔籽晶的外延生长,所获得的单晶取向与籽晶取向保持一致。     

铸件定向凝固微观组织模拟

铸件微观组织模拟研究向定向凝固及单晶方面发展.简介了微观组织模拟的基本思路,引进三维枝晶包膜跟踪模拟理论,它是一种定向凝固的数值微观组织模拟方法,主要用于模拟一些特殊的对缺陷的存在很敏感的零部件.同时给出了用枝晶包膜跟踪法计算的二维凝固模拟结果.     

单晶叶片激光修复研究进展

单晶叶片激光修复技术为航空领域节约了大量成本,该技术以增材制造工艺为基础,以期在单晶基底上通过定向凝固生长出理想的单晶结构。目前,主流的单晶叶片修复技术包括以下两类：定向能量沉积技术（Directed Energy Deposition,DED）、粉末床熔融技术（Powder Bed Fusion,PBF）。本文综述了两种主要修复技术的研究进展,总结了修复过程中工艺参数的影响及单晶生长的机理,阐明了单晶修复技术在航空领域的应用潜力。此外,本文还讨论了单晶叶片修复目前面临的主要挑战,并对其未来发展趋势进行展望。     

不同制备方法对单晶高温合金取向特征的影响

在高温度梯度定向凝固炉中分别采用选晶法和籽晶法制备单晶高温合金,并采用XRD测定单晶的取向特征。结果表明,采用选晶法制备单晶高温合金时,在激冷板上随机形核的晶粒经过起晶段的竞争生长和螺旋段的选晶作用后,最终获得具有择优取向<001>的单晶。采用籽晶法制备单晶高温合金时,通过重熔籽晶的外延生长,所获得的单晶取向与籽晶取向保持一致。     

高温合金定向凝固界面换热系数逆向求解与验证

通过实验采集了DD6单晶叶片定向凝固过程温度场数据,基于数值模拟逆向求解确定了定向凝固过程中界面换热系数。采用这些界面换热系数进行了ProCAST数值模拟,得到了凝固过程位移场,并与真实叶片实测位移场进行比较,证实仿真结果与试验结果吻合较好,验证了反求界面系数的可靠性。     

高温合金定向凝固界面换热系数逆向求解算法与应用

使用双铂铑(Pt-Rh₃₀/Pt-Rh₆（B）)热电偶采集单晶叶片定向凝固过程温度场数据,基于数值模拟逆向求解出定向凝固过程中高温合金DD6与模壳之间的界面换热系数,并分析了界面换热系数随界面温度变化的关系。采用得到的界面换热系数,基于ProCAST数值模拟,得到的仿真温度场数据与实测温度场数据吻合良好,单晶叶片定向凝固过程数值模拟精度得到有效提高。     

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.     

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。     

液态金属冷却法在高温合金定向凝固中的应用

简述了国内外对单晶涡轮叶片和大尺寸燃气轮机叶片的需求,介绍了国内外液态金属冷却法定向凝固的发展及现状、冷却用液态金属的选择以及凝固参数控制,对液态金属冷却定向凝固中的传热过程进行了分析,论述了液态金属冷却定向凝固在铸件组织控制、性能优化、缺陷消除等方面的优势,展望了液态金属冷却法定向凝固的发展方向.