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。     

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。     

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。     

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。     

不同模组结构高效制备单晶叶片定向凝固过程的温度场及组织模拟

针对18个单晶高温合金叶片高效制备过程中温度场不均匀而导致的杂晶缺陷问题，设计了3种不同的单晶叶片模组结构，采用ProCast软件和CAFE模块对第2代单晶高温合金DD6不同模组结构在高速凝固工艺下的温度场和晶粒组织进行模拟研究，分析了不同模组结构下叶片的温度场演化和抽拉速率对杂晶的影响。结果表明，单层模组由于中柱的保温作用较小，导致叶片近中柱侧的散热效率高于近炉壁侧，凝固过程固液界面弯曲严重，凝固过冷大，杂晶形成倾向大；通过对单层模组添加套筒，以加强保温作用，可有效改善温度场，减小固液界面弯曲程度，避免杂晶形核；而双层叠加模组温度场分布均匀，凝固过冷小，杂晶形成倾向小。套筒模组和双层叠加模组在抽拉速率小于100μm/s时均无杂晶形成，但双层叠加模组将模组直径缩小为其余2种模组结构的一半，降低了对炉体型腔尺寸的要求，有望实现单晶叶片的高效制备。     

晶体取向对DD8镍基高温合金定向凝固的界面稳定性的影响

研究了晶体取向对ＤＤ８镍基高温合金定向凝固的界面稳定性的影响,同时考察了抽拉方式对该晶体取向效应的作用。结果表明,〈１００〉偏离热流方向的晶粒在平界面区比〈１００〉与热流方向一致的晶粒的界面稳定性大,而在胞枝转变区则相反;以平界面速度、胞晶速度和枝晶速度连续抽拉及逆过程的速度递减抽拉对以上结果的影响一致。研究表明,晶体取向对凝固界面稳定性的影响是由于液相原子在不同晶面的结晶面上沉积时形成的原子键不同,影响了系统自由能的降低,影响了液相原子迁移至固相界面上的有效跳动频率和固相原子迁移至液相中的有效跳动频率,影响了液固相界面前沿的溶质分布和成分过冷所致。     

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.     

电磁自约束定向生长条件下影响温度场的若干因素

探讨了电磁自约束定向生长条件下，温度分布对抽拉速度的响应，以及电磁搅拌引起的对流对温度分布以及固／液界面上温度梯度ＧＬ的作用。检测了液柱头高度，固／液界面位置对温度场以及温度梯度ＧＬ的影响。结果提供了几种增高温度梯度ＧＬ的有效途径     

工艺条件对大规格TC4扁锭连铸过程固液界面的影响

利用有限元方法对电子束冷床熔炼大规格TC4扁锭连续凝固过程温度场进行计算分析,研究不同铸造工艺条件下熔池形貌特征以及固液界面曲率的变化,并且定量地给出固相线和液相线位置以及糊状区深度的变化规律。结果表明:随着浇注温度的升高,TC4扁锭的液相线和固相线深度加深、宽度变宽,而固相线与液相线之间的糊状区变窄;随着拉锭速度的加快,熔池加深变宽,糊状区逐渐变宽,温度梯度变小,固相率逐渐减少;但拉锭速度对固液界面形貌的影响相对于浇注温度的影响更为显著,在本计算模拟条件下,拉锭速度应控制在3.5×10~(-4)m/s以下。     

金属近快速定向凝固过程的数值模拟

从非稳态传热角度并按照柱坐标系中二维传热方式对Bridgman装置中Al柱状试样近快速定向凝固过程进行了数值模拟,分析了试样在近快速定向凝固过程中液固界面前沿的温度梯度和生长速度随试样抽拉速度的变化规律.计算结果表明:在30～3 000 μm/s的抽拉速度范围,随着抽拉速度的提高,液固界面前沿的温度梯度在(145士l0)K/cm范围变化,生长速度与抽拉速度的差别不超过5%.研究结果为实验研究近快速定向凝固组织形态转变提供了可靠的控制参数依据.     

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...     

叶片的应力状态对混流式水轮机转轮失效的影响

在解决焊接热源沿任意空间路径移动的加载问题以及具有复杂形状的叶片在焊接时与空气之间的散热问题的基础上,对转轮实体模型焊接过程的温度场与应力场进行了数值模拟。得到了焊接应力的演变规律与焊后应力场的分布情况。结果表明,焊后应力的峰值出现在叶片与上冠或叶片与下环接触面附近的叶片上。结合转轮工作应力的分布状态,解释了混流式水轮机转轮的失效原因。     

一炉双流连续定向凝固方法

阐述了自制的一炉双流连续定向凝固装置的原理及特点，对不同拉速下纯铝铸锭的表面状态及凝固组织进行了研究。结果表明，拉坯速度慢或固液界面靠近结晶器出口处，表面质量好；拉坯速度增加，柱状晶的数目经历由少增多的过程。     

Influence of gas flow on thermal field and stress during growth of sapphire single crystal using Kyropoulos method

The professional modeling software package CrysVUn was employed to study the process of a large sapphire single crystal growth using Kyropoulos method.The influence of gas pressure on thermal field, solid-liquid interface shape, gas velocity field and von Mises stress were studied for the first time.It is found that the root of the seed melt when gas pressure equals to one atmosphere or more than one atmosphere, especially during the seeding period, this result is consistent with the experimental observation, and this paper presents three ways to solve this problem.The temperature gradient and stress decreases significantly as the gas pressure increases.The convexity of the solid-liquid interface slightly increases when the gas pressure increases.Numerical analysis was used to optimize the hot zone design.     

IN718合金增材制造温度场仿真及微观组织分析

针对微观组织的调控相关问题,构建了IN718材料激光选区熔化(selective laser melting,SLM)温度场仿真的三维有限元模型,研究了激光功率和扫描速度对熔池温度场和凝固机理的影响,进而预测增材制造材料的微观组织,为微观组织的调控提供理论依据.首先分析了激光功率和扫描速度对熔池尺寸的影响,分析了不同工...     

纯铜热型连铸过程三维微观组织模拟

采用宏观温度场模拟与微观组织模拟相耦合的方法，建立了宏微观统一的模型[直接差分（Direct Difference）-元胞自动控制（Cellular Automaton）模型，即CA-DD模型]，模拟研究了纯铜热型连铸凝固过程各工艺参数对固．液界面位置和晶粒淘汰的影响。结果表明：随着连铸速度的增大，固-液界面逐渐向型口外侧移动，晶粒淘汰趋势逐渐减弱。铸型温度对晶粒淘汰有一定的影响。模拟结果与试验结果符合较好。     

新型可脱离式隔热板对燃气轮机叶片定向凝固过程的影响

基于有限元模拟软件,对实际工艺参数条件下的大型空心燃气轮机叶片凝固全过程中的温度场、温度梯度、凝固界面的演变进行了模拟仿真,以此为基础研究了雀斑缺陷形成机理及其规律。模拟结果与实验结果取得了良好的吻合。模拟结果表明,在叶片榫头处温度梯度突然降低是导致此处局部缺陷产生的主要原因。并针对该实验现象设计了一种新型隔热板,大幅度提高叶片凝固界面前沿的温度梯度,从而达到避免叶片榫头处产生雀斑缺陷的目的。     

A Three-dimensional simulation of isothermal turbine blade forging by the rigid-viscoplastic finite-element method

This study is concerned with the three- dimensional analysis of isothermal turbine blade forging by the rigid-viscoplastic finite-element method. In the present finite-element simulation, the interface friction along the curved die surfaces is included, and as a remeshing technique, so-called modular remeshing is used. Comparison between the initial and final computed product shows a three-dimensional deformed configuration of a turbine blade and demonstrates that the length of the final deformed blade is increased. The computational results may be effectively applied to other types of three-dimensional turbine blade forging processes.     

垂直布里奇曼法CdMnTe晶体生长过程的数值模拟与实验研究

为经济高效获得Cd_1-xMn_xTe晶体垂直布里奇曼法(vertical Bridgman method,VBM)生长条件,基于有限元软件建立二维有限体积数值模型,模拟了VBM生长Cd_1-xMn_xTe的晶体过程;探究坩埚内部熔体的传热、流动以及生长界面变化情况,分析5、10和15 K/cm 3种不同温度梯度条件对固液界面的影响。结果表明,晶体生长初期,固液界面径向流速差较大,从而使生长界面略凹向晶体;随着晶体生长的进行,固液界面逐渐平缓,开始有利于良好晶体的生长;在生长中后期,固液界面变为凸面,随着温度梯度的增大,可以更好地抑制对流,有利于获得高质量晶体。在模拟结果的基础上,调整不同阶段坩埚下降速度,进行Cd_0.9Mn_0.1Te晶体的制备,成功地生长出质量良好的Cd_0.9Mn_0.1Te晶体。     

Cu-Ag合金热型连铸凝固过程数值模拟

采用交替显式直接差分法建立了Cu-Ag合金热型连铸凝固过程温度场模拟的差分数值方法,并研究了不同工艺参数对温度场分布的影响.模拟结果表明,连铸速度、型口温度和冷却强度对Cu-Ag合金凝固过程固-液两相区的位置和大小有影响.随连铸速度增大,液固界面位置从型内向型外移动.