基于ProCAST的大尺寸空心定向叶片数值模拟

采用ProCAST软件研究了DZ409合金大尺寸空心定向叶片精密铸造过程的温度场,分析了固液界面前沿的变化,研究了定向凝固过程中浇注温度、型壳温度、拉晶速率对温度场、凝固参数、应力场的影响,并通过G（温度梯度）/R（凝固速率）分析优选工艺模拟凝固组织。结果显示,当浇注温度和模具温度均为1 560℃时,铸件不同位置的温度梯度与G/R值较大,有利于定向凝固柱状晶的生长。低拉晶速率可以获得较大的温度梯度、G/R值,有利于定向柱状晶粒生长。通过选择合适的浇注温度和拉晶速率,可显著改善叶身的晶粒取向。对模拟得到的较优工艺进行试验验证,发现晶粒取向与模拟结果一致。     

一种定向凝固叶片浇注系统的研究

通过对某发动机低压涡轮工作叶片定向凝固用浇注系统的设计和研究,找出了浇注系统影响铸件定向凝固质量的因素,确定了可获得较高铸件合格率的设计方案.研究表明:在定向凝固浇注系统设计中,叶片分布方式和引晶位置直接影响到叶片定向凝固柱状晶生长状态和组织致密程度;叶片呈环形均布形成的温度场有利于柱晶沿[001]方向生长,呈扇形均布的组合方式不利于柱状晶定向生长.     

影响细长薄壁细晶叶片铸造成形因素研究

通过对某发动机超薄细长细晶铸造低压涡轮工作叶片型壳保温方式、型壳预热温度和浇注温度的调整,研究了铸造工艺参数对合金欠铸、冷隔、晶粒度及疏松缺陷的影响.研究结果表明,采用填砂和保温毡包裹对型壳保温,对叶片的欠铸、冷隔和疏松等缺陷的影响相同.当型壳的预热温度高于1 150℃时,导致细长叶片晶粒粗大;而当型壳预热温度为1 100℃,浇注温度为1 450℃时,容易出现欠铸和冷隔缺陷.当采用1 100℃对型壳预热,1 500℃浇注叶片时,能够有效避免冷隔、欠铸、晶粒粗大等缺陷,通过浇冒系统改进,能够解决薄壁细长叶片疏松问题.     

薄细长细晶叶片冶金缺陷影响因素研究

通过对薄细长细晶低压涡轮工作叶片浇冒系统、型壳预热温度、型壳保温方式和浇注温度的调整,研究了铸造工艺参数及浇冒系统对铸件浇不足、冷隔、晶粒度及缩松缺陷的影响。结果表明,采用填砂或保温毡包裹进行型壳保温,对叶片晶粒粗大、浇不足、冷隔和缩松等缺陷的影响相同。当型壳预热温度高于1 150℃时,导致细长叶片晶粒粗大;而当型壳预热温度为1 100℃,浇注温度为1 450℃时,容易出现浇不足和冷隔。当型壳预热温度为1 100℃,浇注温度为1 500℃时,能够有效避免冷隔、浇不足、晶粒粗大等缺陷,同时,通过浇冒系统改进,能够解决薄壁细长叶片缩松问题。     

工艺参数对大尺寸K465镍基母合金锭中心缩孔的影响

分析了大尺寸K465镍基母合金锭产生中心缩孔的原因，通过设计正交试验，采用ProCAST软件对浇注温度、浇注速率、模具温度等工艺参数对铸锭缩孔的影响程度进行了模拟计算，研究了大尺寸K465镍基高温合金母合金锭中心缩孔的影响因素。结果表明，合金锭由外至内的晶粒分布为细小等轴晶、横向柱状晶、粗大等轴晶，当横向凝固速率过快时容易导致枝晶搭桥，阻碍上部液相向下补缩，是产生中心缩孔的主要原因。通过数值模拟计算发现，中心缩孔主要受浇注温度影响较大，对浇注速率的敏感性较小。最优浇注工艺如下：浇注温度为1 420℃、浇注时间为20 s、模具温度为700℃,可大幅降低合金锭的中心缩孔尺寸。     

定向凝固工艺对高温合金DZ417G变截面疏松形成的影响

研究了定向凝固工艺对高温合金DZ417G模拟叶片变截面疏松形成的影响。结果表明,模拟叶片靠近中心圆柱一侧变截面疏松含量比靠近炉壁一侧高1个数量级。在一定浇注温度范围内(1480~1580℃),随浇注温度的升高,靠近中心圆柱变截面位置疏松含量先升高后降低,在浇注温度为1550℃时疏松含量最高;而靠近炉壁侧变截面疏松含量随浇注温度升高略有降低。在一定抽拉速度范围内(1~10 mm/min),随着抽拉速度的升高,靠近中心圆柱变截面位置疏松含量逐渐升高,而靠近炉壁位置疏松含量逐渐降低。根据以上结果,针对模拟叶片变截面位置提出了浇注温度、抽拉速度和显微疏松含量的对应关系。此外,定向凝固工艺对变截面疏松形成的影响主要是由固液界面前沿的温度梯度变化造成的。     

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.     

熔模铸造工艺对K418B涡轮导向器充型性能与晶粒组织的影响

研究了熔模铸造浇注系统、浇注温度、型壳预热温度对K418B涡轮导向器在重力铸造条件下充型性能与晶粒组织的影响。结果表明,在调整浇注工艺的基础上,将排气边一侧的型壳外部加厚的方式,改变了型腔的温度场分布,使导向器叶片的排气边冷却速度降低;一方面保证了排气边的充型完整性,另一方面降低了排气边与叶身厚大部位的温度梯度,使整个叶片的晶粒组织由大尺寸柱状晶转变成较细小的等轴晶,提升了导向器的综合力学性能。     

超高速连铸结晶器内坯壳的传热行为

超高速连铸漏斗结晶器内坯壳的生长速率对铸坯表面质量有着显著的影响。基于节点温度继承算法(NTI),运用ANSYS有限元软件建立了结晶器内钢水凝固的三维瞬态导热模型,解析了浇注温度和拉速对薄板坯传热行为的影响。研究表明,随着拉速从4.0提高到6.0 m/min,结晶器出口坯壳最大厚度由26减小到12.8 mm,结晶器出口坯壳表面最高温度从1 209增加到1 305 ℃。而浇注温度从1 550 ℃提高到1 560 ℃对坯壳的表面温度和厚度影响不大。     

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。     

抽拉速率对定向凝固Ni-45Ti-5Al合金微观组织的影响

采用Bridgman型液态金属冷却定向凝固方法,研究Ni-45Ti-5Al(摩尔分数,%)合金在不同抽拉速率(20、100和200μm/s)下定向凝固后的相组成及其形态特征。结果表明:Ni-45Ti-5Al合金定向凝固生长区呈现明显的柱状晶生长形态,定向效果良好,NiTi基体以[100]方向为择优取向,Ti2Ni析出相沿[111]晶向择优生长。随着抽拉速率的提高,Ti2Ni相更加细小、分散,由在胞晶界上几乎连续分布改变为断续分布。在20～200μm/s的宽生长速率范围内,均以胞状晶形态生长,固/液界面形态没有发生显著变化;随着抽拉速率从20μm/s增加到200μm/s,定向胞晶组织明显细化,平均胞晶间距由85μm减小到25μm。     

重型燃气轮机空心导向叶片精密铸造工艺

导向叶片是内腔结构复杂的空心叶片,是重型燃气轮机的核心部件之一。从陶瓷型芯的研制、铸件尺寸控制、铸件冶金质量控制等方面论述了该叶片铸件的精密铸造工艺过程。结果表明,型壳预热温度在900~1 080℃,浇注温度在1 420~1 550℃,并且控制浇注时间在4~10s,可以生产出合格铸件。     

基于ProCAST软件研究浇铸工艺对Al-Cu合金凝固组织的影响

采用计算机软件对Al-2%Cu二元合金的凝固微观组织进行了模拟,研究了界面换热系数、初始浇注温度、模具材料及厚度等工艺条件对铸造凝固微观组织影响。结果表明,随着界面换热系数的增加,合金凝固组织中柱状晶含量呈线性增加;随着浇注温度的升高,凝固组织由等轴晶向柱状晶转变,温度越高,柱状晶比例越大,当浇注温度为600℃时,合金凝固组织中几乎全部为等轴晶粒;当模具材料为硅砂时,合金凝固组织为粗大的等轴晶,使用钢制模具所得到的凝固组织为表层细晶区、柱状晶区及心部等轴晶,其中柱状晶组织占20%左右,而使用铜制模具时,柱状晶比率达60%;随着钢制模具厚度的增加,凝固组织中柱状晶比例快速增加。     

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。     

出水支管铸件的熔模铸造工艺优化

为了提高出水支管熔模铸造的铸件质量,利用ProCAST软件进行了浇注系统设计及优化。模拟了浇注温度、浇注时间和型壳预热温度对铸件凝固过程的影响。经过多次模拟,得到了最佳工艺参数,即浇注温度1350℃、浇注时间6 s、型壳预热温度500℃。使用优化工艺参数得到的铸件避免了缩松缩孔等缺陷。     

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。     

基于3D-CAFE法的连铸Ag-28Cu合金凝固组织的数值模拟

基于3D-CAFE法对连铸法制备的Ag-28Cu合金的凝固组织进行了模拟,研究了表面换热系数、浇注温度和拉速对凝固组织的影响。结果表明,增大表面换热系数、降低浇注温度、提高拉速,可起到细化晶粒的效果。在最佳工艺条件为表面换热系数1800 W/(m2·K)、浇注温度830℃、拉速1.5 m/min时,Ag-28Cu合金的凝固组织等轴晶比例最大,且晶粒较细。     

铝合金长铸件的定向凝固

目前人们十分重视对高温合金叶片定向凝固的研究,但对铝合金铸件定向凝固的研究和应用却比较少。本文研究了铝合金长铸件定向凝固工艺,并籍此了解定向凝固工艺的一般规律。在定向凝固条件下,通过改变浇注温度、铸型预热温度、铸型下降速度和冷却条件(水冷铜结晶器的通水量)等四个铸造工艺因素,研究这些工艺因素与凝固参数;凝固参数与铸件组织、性能的关系。选用典型的宽结晶温度范围的合金—Al-4.5％Cu,在自制的定向装置上,分别用精铸型壳和保温材料做铸型,采用正交设计方法。此外,还对生产上常用的ZL—105合金,作了定向凝固条件下的机械性能试验。     

区熔式定向凝固技术对7075铝合金微观组织和硬度的影响研究

采用Bridgman定向凝固系统对7075铝合金进行区熔式定向凝固试验,研究了感应加热温度(887～998℃)、拉伸速率(20～50μm/s)对凝固组织及硬度的影响。结果表明,7075铝合金定向凝固后,组织由原始枝晶形貌转变为等轴或近等轴柱状晶;当感应加热温度998℃且拉伸速率40μm/s时,得到的柱状晶形貌稳定,尺寸均匀,硬度最高。在参数范围内拟合的感应加热温度与试样硬度的线性关系式为HB=0.055T+15.5(T为温度)。     

凝固参数对DZ125合金叶片类铸件微观组织和性能的影响

应用高速凝固定向凝固方法研究凝固工艺参数(抽拉速度、模壳保温温度)对DZ125高温合金铸件组织及性能的影响。结果发现,升高模壳保温温度可大幅度提高温度梯度,并制备出晶粒挺直度更为优良的铸件。枝晶组织及γ′析出相在壁厚较大部位更为粗大,且均随着抽拉速率及模壳保温温度的提高得到细化。显微偏析随抽拉速率的增加先减轻后加重,随模壳保温温度的提高部分元素偏析加重,部分元素减轻;γ+γ'共晶含量随抽拉速率的增大和模壳保温温度的提高而减少。铸件经标准热处理后,枝晶组织模糊不清,γ'析出相由于凝固参数变化而引起的差异显著减轻,且共晶组织几乎全部消除。抽拉速率变化对热处理态铸件性能无显著影响,但温度梯度的提高改善了铸件晶粒的挺直度,减小了晶粒偏离轴向的角度,提高了铸件性能。