单晶铸件凝固过程工艺优化的数值模拟

采用ProCAST软件系统研究了LMC(Liquid Metal Cooling)以及HRS(High Rate Solidification)工艺下,不同工艺参数对单晶铸件凝固过程中纵向温度梯度、温度梯度角、凝固界面位置的影响。结果表明:HRS工艺受型壳厚度影响很小,型壳表面的辐射散热是HRS工艺的主要影响因素,型壳的导热或者型壳和合金之间的换热是LMC工艺的主要影响因素;提高保温炉温度有利于提高纵向温度梯度;拉速是影响定向凝固最重要的参数,随拉速的增加,单晶铸件的纵向温度梯度先增大后减小,因此,制备不同合金铸件时应当采用不同的拉速;不同浇注温度时,经过10min的静置时间后,单晶铸件的初始温度分布趋于一致,对后续凝固过程影响很小。提出了以纵向温度梯度G∥、温度梯度角θ以及凝固界面位置Rp考察定向凝固工艺参数优劣的标准,纵向温度梯度、温度梯度角、凝固界面位置是评价定向凝固参数优劣的有效手段。     

DD6单晶精铸薄壁试样定向凝固过程数值模拟

针对单晶高温合金精铸薄壁试样制备困难的问题,建立了薄壁板形试样的有限元模型,采用ProCAST数值模拟的方法模拟DD6单晶精铸薄壁板形试样的定向凝固过程,研究了几何形状和工艺参数对定向凝固过程中温度场、温度梯度场及糊状区的影响。结果表明:薄壁板形试样中间部位工作端的温度梯度在60~65℃/cm范围内,糊状区固相线较为平直,液相线的位置在近炉壁一侧较低,远炉壁一侧较高。几何形状对单晶高温合金试样定向凝固过程有重要影响,提高浇注温度或降低抽拉速率有助于薄壁板形试样固液界面前沿液相温度梯度增大、糊状区宽度减小。单晶高温合金精铸薄壁试样定向凝固过程数值模拟结果与实际浇注结果吻合,凝固过程数值模拟为单晶精铸薄壁试样的制备提供了技术支持。     

单晶高温合金DD3亚结构超细化定向凝固工艺研究EI

利用ＺＭ定向凝固装置研究了镍基单晶高温合金ＤＤ３在高温度梯度（７００～１２００Ｋ／ｃｍ）定向凝固条件下的微观组织演化特征及其对工艺参数的响应函数，结果表明：该合金在高界面温度梯度条件下，柱晶生长速度范围向高速区扩展，从而使单晶亚结构细化成为可能。所得单晶棒中亚结构一次间距可比传统ＨＲＳ法定向凝固籽晶中相应尺度减小５～１０倍。本文还对其组织演化机制进行了分析。     

镍基单晶高温合金凝固缺陷研究进展

镍基单晶高温合金的凝固缺陷对其力学性能有很大的影响,减少和控制凝固缺陷对提高合金性能和降低成本具有重要意义。综述了镍基单晶高温合金定向凝固过程中可能出现的几个重要缺陷,包括缩松、雀斑、晶体取向的偏离和杂晶,重点讨论了这些缺陷的特点和产生的机理,并从合金成分、工艺参数、铸件结构等方面分析了凝固缺陷的影响因素,指出了减少单晶高温合金凝固缺陷的措施。     

高温合金定向凝固技术研究进展

首先回顾了定向凝固的发展历史,重点分析了液态金属冷却定向凝固的技术特点。总结了高温度梯度下制备的定向凝固法单晶高温合金在组织和性能方面的研究现状,结合作者在本领域的研究,着重分析了定向凝固温度梯度、凝固速率、晶体取向、熔体超温处理、熔体对流控制对组织和性能的作用规律和机制,认为高温度梯度定向凝固是细化组织、减少缺陷、提高合金性能的重要途径。最后展望了高温合金定向凝固的发展趋势。     

大直径TbDyFe定向凝固晶体的研制

本文首先分析了Tb0.3Dy0.7Fe2合金的定向凝固过程，讨论了温度梯度对溶区界面形态和结晶组织的影响；接着通过合理设计定向凝固装置，正确控制熔区温度和移动速度，以及采用若干辅助技术，为定向凝固过程提供理想的温度梯度，从而确定了制备大直径晶体的方法；最后在此基础上制备了高性能的Tb0.3Dy0.7Fe2定向凝固晶体，其最大直径可达80mm。     

微重力条件下单晶合金的凝固生长

单晶合金由于没有晶界缺陷而具有特殊的理化性能,如镍基单晶高温合金是先进航空航天发动机和燃气涡轮发动机关键材料,具有优异的高温使役性能。单晶合金的特色结构决定了它只能通过凝固的方式获得,因而凝固过程对单晶合金的组织结构、成分分布乃至理化性能具有难以磨灭的影响。如以枝晶结构为主要特征的单晶合金中的枝晶结构参数、合金元素的宏观与微观偏析都与凝固过程参数(如凝固速度、温度梯度等)密切相关。研究表明,重力导致的各项效应(如浮力对流、沉降和流体静压等)直接或间接地影响凝固过程参数,并且是导致成分偏析和凝固缺陷的重要原因。但在常规地面条件下由于无法有效去除重力影响,因而难以清晰揭示凝固过程中的重力效应及其作用规律。而在微重力环境中,这一难题将迎刃而解。因此,近些年来国内外一些学者利用空间或模拟微重力环境,对重力对单晶凝固行为的影响及其在缺陷形成中的作用进行了研究。这些研究对于获得良好的单晶凝固组织、避免凝固缺陷的形成,以及提高单晶合金的质量和性能都有着重要的意义。综述了目前国内外微重力下单晶生长研究的相关进展,并对未来研究进行了展望。     

单晶 Ni 基高温合金侧向约束条件下的凝固行为

研究了侧向约束条件下单晶 Ni 基高温合金的凝固行为及溶质再分配。实验结果表明:侧向约束条件对单晶 Ni 基高温合金的凝固组织、溶质偏析及溶质再分配均具有极为强烈的影响。侧向约束条件即试样断面变化对单晶 Ni 基高温合金凝固过程的影响,实质上是局部凝固工艺参数的影响。本文研究结果对实际单晶 Ni 基高温合金铸件凝固组织的控制和生产具有重要的指导意义。     

抽拉速率对一种镍基单晶高温合金凝固参数和凝固组织的影响

研究了不同的铸型抽拉速率对镍基单晶高温合金DD98的凝固参数及显微组织的影响，结果表明，随着抽拉速度降低，固－液界面前沿的温度梯度显著提高，糊状区宽度减小，抽位速度较低时，温度梯度在整个凝固过程中变化比较平稳，提高抽拉速率使DD98合金由胞状凝固转变为枝状凝固，γ′相尺寸减小，并且由不规则形状逐渐变为规则的立方体形状，γ／γ′共晶量增加，共晶中的初生γ′相尺寸逐渐减小。     

定向凝固过程中温度参数对含Re镍基单晶高温合金铸态组织的影响

研究了一种含Re为4.0%～5.5%(质量分数)的实验型镍基单晶高温合金在不同定向凝固结晶条件下铸态的宏微观组织特征,分析了凝固结晶温度参数对单晶完整性、显微疏松与共晶含量、枝晶偏析等的影响。结果表明:高的熔体过热处理温度不仅促进合金元素分布的均匀化,同时降低了高Re和高难熔元素含量的单晶合金结晶缺陷的倾向性,提高了单晶完整性。合金熔体过热温度、铸型温度/浇注温度的适度提高有利于枝晶间的补缩,并减少显微疏松。     

CMSX-3单晶合金的微观组织研究

镍基单晶高温合金是重要的航空燃气轮机涡轮叶片材料。本文利用光学金相、SEMTEM等分析手段研究了采用定向凝固造晶法制造的CMSX－3单晶合金的微观组织。对其铸态组织与γ＇形态做了描述与分析。     

激光熔凝过程中三维温度场的数值模拟

采用有限元法,模拟计算了激光表面熔凝单晶合金材料中的三维温度场分布,得到了材料表面及截面的温度梯度分布,为激光熔凝过程中CET转变及液固相变过程中温度梯度G的变化提供了理论依据。将材料热物性参数随温度的变化引入计算模型,并得到了其对计算结果的影响,为下一步残余应力的数值模拟做了预研准备。计算结果表明:随温度变化的材料的热物性参数对温度梯度G的影响较大;在单晶合金凝固过程中,材料内温度梯度G对CET转变起关键作用;模拟结果与实验测量结果吻合很好。     

合金成分对定向凝固柱晶高温合金热裂倾向性的影响

为研究定向凝固柱晶高温合金薄壁铸件凝固过程的热裂纹形成倾向,采用定向凝固空心薄壁管状试样,考察了Ti,Zr,Hf,Al和B等元素对定向凝固柱晶高温合金热裂倾向性的影响;采用SEM、断口分析及DSC方法,分析了热裂的晶界宏观形态.结果表明:随着Ti含量的增加,γ/γ′共晶增多,尺寸增大,合金凝固温度范围变大,定向合金的热裂倾向性严重;Zr元素含量增加,促成共晶形成,合金出现热裂纹;Hf含量的变化对合金的热裂没有影响;Al,B含量增加,微观组织无明显变化,但合金凝固温度范围变大,导致定向凝固合金出现热裂.     

单晶高温合金定向凝固过程数值模拟

实测了不同抽拉速度单晶高温定向凝固过程的初始条件,边界条件及温度场,建立了数值模拟系统的实体模型,采用ＰｒｏＣＡＳＴ有限元模拟软件包计算了不同抽拉速度单晶合金试板的定向凝固过程温度场。     

镍基高温合金定向凝固过程中雀斑缺陷研究进展

本文简述了近年来定向和单晶镍基高温合金凝固过程中雀斑缺陷的研究进展,具体论述了雀斑缺陷的形成机制以及雀斑的预判模型,并从合金成分、凝固参数(抽拉速率和温度梯度)、凝固界面形态以及试样形状和尺寸等方面分析和论述了这些因素对雀斑缺陷形成的影响,最后对未来镍基高温合金中雀斑缺陷的研究方向进行了探讨和展望。     

浇注温度对定向凝固Al－Cu合金热裂的影响EI

针对空心叶片类定向凝固铸件存在的热裂问题，开展了定向凝固热裂规律的研究。本文选择凝固参数较全的Ａｌ－Ｃｕ系合金，研究了定向凝固工艺参数之一的浇注温度对Ａｌ－０．６ｗｔ％Ｃｕ和Ａｌ－２．０ｗｔ％Ｃｕ合金热裂的影响。定向凝固热裂试验表明，提高浇注温度可以降低Ａｌ－０．６ｗｔ％Ｃｕ合金的热裂程度，但对Ａｌ－２．０ｗｔ％Ｃｕ则无作用。理论分析认为，合金在不可补缩区的冷却速率变化是改变合金热裂程度的重要因素。     

浇注温度对定向凝固Al－Cu合金热裂的影响

针对空心叶片类定向凝固铸件存在的热裂问题，开展了定向凝固热裂规律的研究。本文选择凝固参数较全的Ａｌ－Ｃｕ系合金，研究了定向凝固工艺参数之一的浇注温度对Ａｌ－０．６ｗｔ％Ｃｕ和Ａｌ－２．０ｗｔ％Ｃｕ合金热裂的影响。定向凝固热裂试验表明，提高浇注温度可以降低Ａｌ－０．６ｗｔ％Ｃｕ合金的热裂程度，但对Ａｌ－２．０ｗｔ％Ｃｕ则无作用。理论分析认为，合金在不可补缩区的冷却速率变化是改变合金热裂程度的重要因素。     

空心管坯电磁离心过程的数值模拟

用有限元法模拟了铸造合金的流动和热量传输过程中瞬态速度场和温度场的分布,研究了电磁场强度和离心机转速对电磁铸造空心管坯的影响.结果表明,电磁搅拌引起的熔体相对运动是凝固过程中晶粒细化的主要原因.最优的电磁搅拌条件:转速1200 r/min,磁场强度为0.08 T,磁场持续加载25 s.在一定的转速和磁场强度条件下电磁离心铸造的温度场和凝固时的温度梯度对凝固组织有重要的的影响.合金液的外层,温度梯度达到最大值,铸件的温度下降得快,容易形成细小的等轴晶.     

温度梯度条件下糊状区的凝固行为研究

利用一个垂直的定向凝固装置,研究了Al-6wt%Cu合金在温度梯度约12K/mm条件下,糊状区在保温不同时间并激冷后得到的微观组织及成分分布特征.SEM/EDX分析表明,糊状区在保温时间内将发生自发的、以扩散机制为主的、类似TGZM效应的凝固过程.完全凝固后所形成的成分梯度与温度梯度的对应关系对于预测定向凝固过程中固液相界面温度以及相平衡测定具有重要意义.     

铸造Ti-1 5-3合金的凝固行为及组织分析

应用所设计的阶梯铸件的铸型,以及钨铼热电偶和由ADAM系列A／D数据采集及转换模块构成的计算机多通道温度数据采集处理系统,对Ti-15-3合金凝固冷却温度变化进行了实验测试与数据处理,测试了合金的浇注温度,液相线温度和固相线温度,得出合金的凝固温度区间为71℃,对合金阶梯铸件的补缩冒口进行宏观形貌观察表明：Ti－5－3高强钛合金的凝固呈集中补缩的特征,且孔洞内表面光滑,凝固组织观察表明：由于受金属铸型内壁激冷作用和铸件尺寸较小的影响,合金在接近铸型内壁或铸件尺寸较小部位处的铸态晶粒组织较细小,且出现较多黑色第二相的非平衡凝固组织。