空心叶片LMC定向凝固温度场和微观组织模拟

基于自主开发的Teccast软件建立了LMC动态综合边界条件和微观组织演变模型,对不同工艺的叶片凝固过程进行了数值模拟。结果表明,与传统方法相比,LMC可得到更窄的糊状区,尤其在厚大部位防止了糊状区的宽化。同时,由于LMC具有更高的温度梯度,并且减小了糊状区下凹的趋势,从而能在更高的拉速下避免杂晶。对于空心单晶叶片,可以在热应力允许的范围内使用更高的拉速来提高生产率。     

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     

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。     

数值模拟技术在制备燃气轮机叶片中的应用

从单晶叶片的选晶过程、HRS定向凝固工艺制备航空叶片及LMC工艺制备重型燃气轮机叶片3方面,简要介绍了数值模拟技术的研究进展。描述了数理模型的建立,对比分析了两种不同的定向凝固工艺的优缺点。螺旋选晶器的设计对单晶叶片的制备影响较大,其设计失效可能会导致选晶效率差,出现杂晶缺陷等。通过对航空叶片温度场及微观组织的模拟,结合试验研究,优化了工艺,成功制备出单晶叶片。重型燃气轮机叶片制备更为复杂,通过数值模拟缩短了研发周期,节约了成本。     

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。     

工艺条件对镍基高温合金DD483单晶叶片中杂晶缺陷的影响

利用Bridgman定向凝固工艺进行了高温合金DD483单晶叶片铸造试验,通过调整抽拉速度和使用不同型壳材料研究了工艺条件对杂晶缺陷的影响。结果表明,叶片中的杂晶缺陷一般出现在横截面突然扩大的缘板部位。铸件下部的外侧比内侧更易生成杂晶,但在上部则相反,即铸件内侧的杂晶缺陷更严重。在缘板部位降低抽拉速度能有效减少杂晶缺陷。在使用国产型壳时合金DD483叶片的单晶率非常低,但使用进口的纯刚玉型壳时叶片质量有明显提高,这说明型壳材料对单晶叶片中杂晶的形成有明显影响。     

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。     

一种镍基单晶叶片叶身-缘板转接区铸造缺陷的形成机理

某种铸态镍基单晶叶片腐蚀后,观察到叶身-缘板转接区存在一种形状规则的条带状杂晶缺陷,且具有方向性,其长度方向平行(或垂直)于叶身和缘板的枝晶生长方向。采用光镜法(OM)、电子探针(EPMA)和电子背散射衍射技术(EBSD),分别研究了缺陷的组织、成分、取向,采用ProCAST模拟研究了缘板区域的温度场和过冷度分布。研究结果表明,叶身-缘板转接区杂晶缺陷由多个柱状晶粒构成;柱状晶粒的组织和成分与缘板基体一致,与基体的取向差形成小角度和大角度晶界;叶身-缘板转接区的过冷度比缘板边缘小,为缘板上的最后凝固区域。在此基础上,提出叶身-缘板转接区杂晶缺陷的形成机理,为消除该缺陷提供了理论基础。     

单晶导向叶片凝固过程组织模拟

单晶高温合金铸造工艺影响因素繁多,其微观组织和晶体界面形态严格依赖于晶体生长时所选择的凝固速率和温度梯度.空心导向叶片横向跨距大,壁厚超薄,型腔结构复杂,且缘板、叶冠截面几何突变问题导致温度梯度难于控制.合金散热过程形成晶态的机理复杂,使保证叶片单晶完整性成为熔铸工艺的难点之一.本研究利用ProCAST仿真软件对某高导叶片凝固过程中的温度场与流场进行计算,并应用CAFE模块耦合前者计算结果对合金组织形核生长情况进行宏观模拟.借助实际浇注和测温试验作为参照,计算实际导向叶片组合方案,研究叶片定向凝固过程中的晶粒竞争生长机制和晶粒取向控制方法.模拟结果显示杂晶集中出现在叶片缘板及进、排气边位置.     

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。     

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。     

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。     

采用低温度梯度HRS工艺制备的镍基单晶高温合金雀斑组织

通过在高速凝固法(HRS)定向凝固过程中调整隔热挡板与壳型之间的间隙,获得了较低的定向凝固温度梯度(～30℃/cm),制备了含有雀斑组织的单晶高温合金试棒。结果表明:采用常规HRS工艺(温度梯度～50℃/cm)制备的合金一次枝晶间距为323μm,含有1.70%铸态共晶;而采用较低温度梯度HRS工艺制备的合金一次枝晶间距达到了704μm,是常规HRS工艺的2.2倍,并且合金的二次枝晶及三次枝晶较为发达;此外,雀斑组织区域包含较多平均晶粒尺寸为200μm的等轴晶晶粒和4.64%的铸态共晶,同时分布着富集Ta元素的MC碳化物。定向凝固过程中较低的温度梯度增大了合金的一次枝晶间距并使合金元素的凝固偏析加重,导致糊状区液相发生对流的倾向增大,从而促进了雀斑组织的形成。     

抽拉速率对定向凝固叶片状DZ125高温合金微观组织的影响

应用液态金属冷却(LMC)和高速凝固(HRS)定向凝固技术,对DZ125高温合金叶片状铸件在不同抽拉速率下的组织演变规律进行了研究,并对比研究了LMC和HRS法所得铸件的微观组织.结果表明,同一定向凝固方法下,随抽拉速率的提高,铸件枝晶组织及γ′析出相得到细化;应用LMC技术所制备铸件的枝晶组织和γ′析出相较相同抽拉速率HRS方法时更为细小;相同工艺参数下LMC和HRS方法所制备铸件一次枝晶间距的差异随铸件壁厚及抽拉速率的增大而更显著.通过对固/液界面前沿温度梯度进行估算发现,LMC方法可获得更高的温度梯度,且其温度梯度受抽拉速率变化影响较HRS更小.除70μm/s抽拉速率外,LMC法所得γ+γ′共晶组织的含量均显著少于HRS方法;70μm/s抽拉速率时,LMC法产生的偏析较严重,而其余凝固条件下偏析程度较相同工艺参数下HRS轻.110μm/s抽拉速率时,HRS方法较LMC方法制备铸件中MC型碳化物尺寸更大.     

高梯度定向凝固技术及其在高温合金制备中的应用

工业燃机用大型复杂定向或单晶叶片制备的需求,对传统的高速凝固(HRS)定向凝固技术提出了挑战,以液态金属冷却法(LMC)为代表的高梯度定向凝固技术迎来了发展机遇。本文总结分析了高梯度定向凝固技术的工作原理、所制备铸件的组织特点、以及其对凝固缺陷、固溶热处理、力学性能的影响。高梯度定向凝固技术提高了铸件内的温度梯度和冷却速率,因而能够显著减小一次及二次枝晶间距、碳化物、共晶和铸态孔洞尺寸,降低了共晶和铸态孔洞的含量;并降低了热处理过程中固溶孔的含量和元素的残余偏析;该技术还有效抑制雀斑缺陷,提高杂晶形成的临界抽拉速率,减小晶粒取向偏离。高梯度定向凝固技术能够显著提高高温合金的持久性能,但对于单晶合金在高温下提高幅度较小,低周与高周疲劳性能均明显提高,且降低了数据分散度,但在氧化条件下改善幅度减小。     

高温合金单晶铸件中杂晶缺陷的试验研究

分析了高温合金单晶叶片铸件中杂晶缺陷的特征和形成机理。指出杂晶主要产生在铸件横截面大幅度扩张的部位,如缘板和叶冠处,原因是边角处冷却过快,熔体过冷超过了合金的临界形核过冷度。通过试验验证了叶片形状、凝固工艺和合金过冷能力等因素的影响,并提出了这种几何性杂晶形成的条件判据。在生产试验中还发现杂晶也会由其他原因引起,如在型壳内壁的裂纹处和型壳与芯头的间隙中,浇注时渗入的金属液在凝固时形成杂乱晶向的金属披缝,有可能长入铸件形成杂晶。另外,铸件在定向凝固中若产生雀斑缺陷,则雀斑链中的细小等轴晶粒可能会继续生长,扩展为粗大的杂晶组织。条纹晶也可发展成为三维的大尺度杂晶缺陷,但与基体的晶向偏离不会太大。     

电子束焊热作用对DD407单晶熔凝区裂纹形成的影响

使用电子束焊对DD407单晶高温合金进行焊接,采用光学显微镜和扫描电镜观察分析了熔凝区裂纹形态及分布特征,采用EDS测定了试样枝晶干与枝晶间区域的化学成分,计算了元素的偏析比并分析了裂纹形成原因。结果表明：在电子束热作用下,DD407单晶熔凝区中主要产生纵向裂纹、横向裂纹、弧坑裂纹、晶间裂纹,当其它工艺参数不变时,熔凝区凝固裂纹含量随着电子束流的增大而先增大后减小;DD407单晶在焊接凝固过程中,杂晶区合金元素偏析严重,导致低熔点共晶组织聚集并形成低熔点液态薄膜,在凝固收缩拉应力作用下,使得杂晶区常形成凝固裂纹。     

电子束热作用对DD407单晶熔凝区裂纹形成的影响

使用电子束对DD407单晶高温合金进行焊接,采用光学显微镜和扫描电镜观察分析了熔凝区裂纹形态及分布特征,采用EDS测定了试样枝晶干与枝晶间区域的化学成分,计算了元素的偏析比并分析了裂纹形成原因。结果表明:在电子束热作用下,DD407单晶熔凝区中主要产生纵向裂纹、横向裂纹、弧坑裂纹、晶间裂纹,当其它工艺参数不变时,熔凝区凝固裂纹含量随着电子束流的增大先增大后减小;DD407单晶在焊接凝固过程中,杂晶区合金元素偏析严重,导致低熔点共晶组织聚集并形成低熔点液态薄膜,在凝固收缩拉应力作用下,使得杂晶区常形成凝固裂纹。