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.     

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.     

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...     

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.     

定向凝固简化空心叶片热应力数值模拟

定向凝固叶片在凝固过程中产生的热应力会导致叶片最终存在残余应力、变形甚至裂纹而使得叶片报废,故研究叶片凝固过程的热应力变化具有重要意义.通过数值模拟的方法可以对叶片的凝固过程热应力进行模拟,得出应力变化情况,对叶片可能产生的缺陷进行预测.文中采用商用软件ProCAST对定向凝固简化空心叶片的热应力场进行数值模拟,分析空心叶片凝固过程中的热应力变化情况,并通过切割法测量了铸件的残余应力,模拟结果与实验结果吻合较好.     

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。     

一种无余量叶片定向凝固工艺的研究

通过一种无余量叶片的定向凝固工艺试验,确定了该叶片的浇注系统、定向凝固工艺参数。结果表明,定向叶片在浇注系统中的分布方式及引晶位置对柱状晶的生长和温度场分布有直接影响,带冠叶片将引晶段与榫头相接能够更好地防止叶片扭曲变形,减少叶片表面缩松、裂纹等缺陷。由正交试验发现,型壳预热温度、浇注温度过低及拉晶速率过快不利于柱状晶的生长和保证凝固面的温度梯度。型壳预热温度为1 510~1 520℃,浇注温度为1 510~1 520℃,拉晶速率为5.0mm/min时,能够更好地消除叶片表面斜晶、断晶,获得品质稳定的定向凝固细直柱状晶叶片。     

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。     

定向凝固的复杂形状高温合金铸件中的雀斑形成

通过实施工业条件下的定向凝固实验,对复杂形状的高温合金铸件中的雀斑进行了检测和分析,揭示了这种凝固缺陷产生的几个新特点.结果表明,雀斑易于产生在铸件的棱角部位而不是平滑表面上,称之为棱角效应;铸件外形台阶式地突然扩张和缩小会分别抑制和促进雀斑形成,称之为台阶效应;雀斑易于产生在向内倾斜而不是向外倾斜的铸件表面上,称之为斜面效应;叶片曲率为正的外凸曲面出现严重的雀斑缺陷,而曲率为负的内凹曲面却毫无雀斑,此现象称之为曲率效应.实验中还发现雀斑不但出现在铸件的外表面,插入型芯也会诱导铸件内部雀斑的产生,这说明糊状区的液体流动具有强烈的附壁效应,不管这种壁面是处在铸件外部还是内部.通过分析可以确认,正是这种附壁效应在各种具体形状特征下发挥作用,导致了上述关于雀斑生成的各种效应.     

重型燃气轮机叶片熔模铸造过程数值模拟

随着重型燃气轮机的日益发展,对于叶片的热强性提出了极为苛刻的要求。重燃叶片形状复杂且厚大,叶身部位为复杂内腔的薄壁结构,极易出现缩孔、缩松缺陷。为了研究缺陷形成规律,改进其工艺方案,基于有限元法,对充型、凝固过程中的流场、温度场演变及缩孔、缩松形成过程进行了仿真。计算结果显示,原有工艺充型过程中液流有可能在叶盆中部汇合,容易在此处形成卷气。由于榫头上部内浇道较薄,先凝固,造成从冒口向榫头下部的补缩通道阻塞,两种浇注系统均在榫头部位出现缩孔或缩松。对相应工艺进行了实际浇注,试验得到的缩孔、卷气情况与模拟结果吻合。为避免缺陷,应改进原来的浇注系统,在合适的位置设计较大的内浇道。     

The effect of liquid metal cooling on thermal gradients in directional solidification of superalloys: Thermal analysis

Numerical methods were used to examine the influence of casting and baffle geometry, mold thickness as well as withdrawal speed on solidification conditions and resulting microstructure. Achievable thermal gradients, stability limits and primary dendrite arm spacings for Liquid Metal Cooling (LMC) and High Rate Solidification (HRS) process are reported. Calculations were compared with experimental results from the literature and good agreement was found. A thermal gradient almost 1.8 times higher was observed for the use of LMC in the case of simple cylindrical castings. In contrast, a thermal gradient up to three times higher was calculated with LMC compared to HRS for large section size castings. The numerical investigations indicate that the nature of the baffle has a stronger effect than the different mechanism of heat dissipation when HRS and LMC are compared.     

Heat transfer characteristics of lost foam casting process of magnesium alloy

1 Introduction The growing demand for mass reduction in aerospace and automotive industries has greatly increased the magnesium application. Currently, casting is the main industrial forming method for magnesium alloys, but the lag of research and develop…     

Effect of mould baffle technology on stray grain formation in single crystal blades by integral fabrication based on 3D printing

Stray grains, the most serious casting defect, mainly occur in the platform because of the abrupt transition of the cross-section in the directional solidification of superalloy single-crystal blades. A new mould baffle technology based on 3D printing and gelcasting is proposed herein to reduce the formation of stray grains in the platform. The influence of the proposed mould baffle technology on the temperature field in the platform during solidification was investigated by simulation and experiment. The numerical simulation results indicate that the proposed mould baffle technology can effectively hinder the radiation and heat dissipation at the platform extremities, and therefore, reduce undercooling in the platform and the formation of stray grains during directional solidification. Casting trials of a hollow turbine blade were conducted using CMSX-4 superalloy. The trial results demonstrate the potential of the proposed approach for manufacturing single-crystal superalloy blades.

     

连铸Ag-28Cu温度场非稳态过程的数值模拟

采用Procast软件中的Mile算法对Ag-28Cu合金连铸凝固过程中温度场的非稳态变化进行了模拟,研究了不同拉速、过热度和换热系数对温度场分布、凝固速率和凝固前沿温度梯度变化的影响。模拟结果表明:随拉速的增大,铸件中心区域的凝固速率加快,凝固前沿温度梯度变化范围减小。换热系数的改变在靠近铸件表面区域对凝固速率基本没有影响,但靠近铸件中心区域后,其凝固速率随换热系数开始大幅度增大。在整个凝固过程中,换热系数越大,凝固前沿温度梯度越大。随浇注温度的提高,其凝固速率呈振荡式增大,凝固前沿温度梯度呈振荡式减小。     

电磁离心铸件宏观组织的数值模拟

基于电磁离心凝固过程温度场的数值模拟结果,建立了铸件凝固过程物理参数与铸件凝固组织之间的定性关系,通过计算固／液界面前沿液相温度梯度Ｇ与界面生长速度Ｒ之间的比值（Ｇ／Ｒ）及冷却速度（ＧＲ）的值,对电磁离心铸件的宏观组织进行了分析,数值模拟结果与实验结果吻合良好。     

基于Matlab的板坯连铸凝固传热过程及热损失研究

基于Matlab数值计算,对板坯连铸凝固传热问题进行研究,得到随板坯厚度及其与结晶器弯月面距离变化的板坯温度场分布,通过拟合得到板坯凝固点末端位置与二冷总供水流量、过热温度和拉坯速度的关系式,分析二冷区水量分配比对结晶器和二冷区内单位长度板坯热损失率和板坯表面温度梯度的影响。结果表明：板坯温度随冷却阶段的不同其温度变化趋势显著不同;随着过热温度和拉坯速度的增大、二冷总供水流量的减小,板坯凝固点末端位置增大;拉坯速度对板坯凝固点末端位置的影响最为显著,其次是二冷总供水流量,过热温度对其影响较小。通过适当调整二冷区内水量分配比可实现降低板坯表面温度梯度和较少热损失率的折衷,从而在提高板坯质量的同时也提高其蓄能,以实现板坯连铸过程的节能。所得结果能对板坯连铸凝固过程的参数设计和动态运行提供依据和理论指导。     

连铸大方坯自然热收缩行为的有限元模拟分析

结合国内某钢厂360 mm×450 mm大方坯连铸的实际生产工艺,利用商用有限元软件MSC.MARC对连铸大方坯自然热收缩行为进行三维热力耦合模拟。本次有限元模拟采用热弹塑性模型,研究不同拉速下铸坯温度场与凝固收缩规律。研究结果表明：拉速越高,温度变化越慢,铸坯总收缩量越小;拉速越小,温度变化越快,铸坯总收缩量越大;铸坯在宽度方向和厚度方向表现出不同规律的自然热收缩行为。     

AZ31镁合金定向凝固的有限元模拟

定向凝固技术是获得新型功能材料的一种重要手段。基于有限元算法,对采用传统法和定向凝固法铸造的AZ31镁合金内部温度、应力、应变分别进行了仿真模拟。结果表明,采用定向凝固法铸造的AZ31镁合金,其内部温度为单相分布,更有利于形成柱状晶,从而提高Az31镁合金的性能。     

Numerical simulation of temperature field of copper and copper alloy in horizontal continuous casting

１ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＢｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇｓ，ｔｈｅｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｃａｓｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓｗｉｄｅｌｙａｐｐｌｉｅｄ．Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｃａｓｔｉｎｇｉｓｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｒｏｍｏｒｄｉｎａｒｙｃａｓｔｉｎｇｉｎｗｈｉｃｈｔｈｅｍｅｔａｌｌｉｑｕｉｄｉｓｎｏｔｃａｓｔｉｎｔｏａｓｉｎｇｌｅｍｏｌｄ，ｂｕｔｓｔｅａｄｉｌｙｉｎｔｏａｍｏｌｄｃｏｏｌｅｄｂｙｗａｔｅｒ，ａｎｄｔｈｅｓｏｌｉｄｉｆｉｅｄｍｅ…     

关于连铸传热数学模型中等效导热系数的讨论

讨论了连铸传热数学模型中等效导热系数对模拟结果的影响,结论表明,采用等效导热系数法可以较为准确的预测铸坯表面温度及凝固终点,但等效导热系数越大,凝固前期的铸坯坯壳厚度越薄;等效导热系数的取值对铸坯两相区将产生较大影响,等效导热系数越大,某一厚度处钢液越早进入两相区,相应地,两相区厚度越大、两相区内温度梯度越小,局部凝固时间越大;采用计算获得的二次枝晶间距与实测值强制拟合的方法可以获得对流等效因子[（m）]的合理取值;对于铸机,在液相穴中强制对流区取[m＝7、]强制对流与自然对流的过渡区取[m＝5、]自然对流区取[m＝3、]静滞区取[m＝1]计算,可以获得较为准确的模拟结果。