单晶高温合金定向凝固热参数的计算机检测及热分析计算

本文叙述了在炉前应用的高温合金定向柱晶和单晶凝固过程的热参数检测和处理的微机系统及相应的热分析计算数学模型，解决了工作现场的干扰问题，建立了一套能用于炉前定向凝固工艺研究的微机系统。并将该微机系统成功地用于ＤＤ３单晶高温合金凝固过程的研究。试验表明：尽管凝固过程中的工艺因素（如：铸型的下降速度，加热器温度）不变，但直接影响单晶铸件组织和性能的凝固参数（温度梯度，凝固速度等）是变化的。因此，应随时根据凝固参数的变化规律对工艺参量进行自动调节，才能使凝固过程处于理想的状态。     

定向凝固叶片类铸件热裂规律性研究

 针对空心叶片类铸件薄壁在定向凝固过程中横向收缩受阻的特点，采用薄板工字型试样，进行了定向凝固Al-Cu合金和Rene125合金的热裂倾向试验研究，并用凝固分析的方法对定向凝固叶片类铸件热裂规律性进行了讨论。     

浇注温度对K4169高温合金晶粒组织影响的计算机模拟

利用Fortran语言编程,采用有限差分法分别解用热焓法处理结晶潜热的圆柱坐标系一维不稳定热传导方程,模拟了K4169高温合金圆柱锭某一横截面凝固过程中温度的变化,它正确地反映了在不同铸造工艺条件下合金铸件横截面上温度的变化规律。通过固相分数,将合金铸件凝固温度场模拟及其连续形核模型、枝晶尖端生长的动力学模型相耦合,计算了不同浇注温度下K4169高温合金圆柱锭凝固过程中晶粒组织的特征值,包括晶粒密度和平均晶粒尺寸,并参考二维CellularAutomaton方法,实现了在计算机屏幕上晶粒形成的动态显示,模拟结果和实验结果吻合较好。     

铝合金薄壁铸件压力结晶及性能的研究

 提高铝合金铸件致密性的一种有效工艺是压力下结晶,即铸件在结晶凝固期间,使之处于大于大气压力的环境中,迫使液体金属在枝晶间流动来补充显微缩孔和缩松。一般认为这项工艺只适用于较厚大的铸件,对薄壁铸件因凝固过快而无效。航天、航空工程中许多铝合金铸件的断面为薄壁或超薄铸,对铸件内部组织的致密性有一定要求。     

三维铸件定向凝固过程模拟Ⅰ——稳态定向凝固过程的边界元解

在定向铸件的生产中,由于不能测取许多凝固参数而无法对实际凝固过程实施动态控制,影响了铸件质量的提高。对凝固过程的数值模拟将有助干揭示凝固过程并为过程控制提供重要信息。根据热量传递的特征,实际定向过程可以划分为抽拉前的稳态过程和抽拉开始后的非稳态过程。本文讨论了边界元法对于稳态定向凝固过程的数值模拟;考察了热物性参数和边界条件非线性的影响及其简化的可能性。     

电子束区熔设备温度梯度的估算

采用热力学计算的方法估算了电子束区熔设备的温度梯度，并对计算结果进行了分析，得到了电子束区熔设备的温度梯度值与加热功率及区熔速率之间的关系。不但为估算电子束区熔工艺的温度梯度提供了一种新的方法，而且还为电子束区熔定向凝固技术提供了一定的技术指导。     

HRS定向凝固过程中固/液界面位置控制

 本文通过在计算机上模拟固/液界面位置受到控制的整个HRS定向凝固过程、求出使固/液界面稳定在隔热板及其附近时抽拉速度的调节规律。依此规律,利用一个以TP 801 B单板机为核心的控制系统对铸件的HRS定向凝固过程进行实时控制。用Al—4.5％Cu合金试样进行了验证试验。结果表明:受控HRS定向中、固/液界面很快趋近于隔热板并在定向过程中稳定在隔热板附近。对界面位置实行控制能有效提高固/液界面前沿温度梯度及其稳定性明显改善定向凝固显微组织。     

精铸过程位移场的数值模拟方法

为了保证精铸件的成形精度,制造所用的模具型腔必须对铸件的收缩变形进行补偿。提出一种精铸过程位移场的数值模拟方法：通过涡轮叶片的精铸实验,测量与分析铸件上特定位置的温度值变化曲线,反向求解了界面换热系数随时间的变化关系,提高了铸件凝固过程中温度场数值计算的精度。通过设置适当的工艺参数和边界条件,基于熔模铸造温度场和应力场,对精铸过程进行耦合计算,得到了较为精确的凝固过程位移场,与实测结果吻合较好,为精铸涡轮叶片模具型腔的优化提供了量化参考依据。     

高强韧基座铸件凝固工艺设计数值模拟优化研究

选用开放式浇铸系统设计了A356基座铸件自由充型凝固成形工艺,结合Pro-CAST软件完成了充型流动场与凝固固相场分布的数值仿真计算,通过自由充型凝固成形工艺设计优化与浇铸温度工艺参数调整,实现了基座铸件自下而上的逐层顺序凝固,疏松缺陷由铸件本体转移至补缩冒口区域。经过实验表明,断裂裂纹扩展方式由沿晶断裂转变为韧窝断裂。     

镍基合金激光超高温度梯度定向凝固

 采用高能激光束作为定向凝固的热源,研究了镍基合金在超高温度梯度（1.0×104K/cm）定向凝固下的组织结构特征。在定向凝固组织中得到了平均一次枝晶间距仅为10.6μm的细枝晶和完全无侧向分枝的“超细胞晶”.对合金元素在不同组织中偏析行为的分析表明：传统的定向凝固组织中存在严重的微观偏析,而激光超高温度梯度定向凝固组织中,元素的微观偏析大大改善甚至完全消除。     

辐射涂层对空心涡轮叶片定向凝固组织的影响

为了得到组织细密的定向晶叶片,采用数值模拟和实验相结合的方法,对比研究了铸型表面涂挂具有较高辐射性能的石墨涂层和氧化铬涂层对空心涡轮叶片定向凝固组织的影响。理论分析表明,铸型表面辐射系数提高能够在一定程度上提高铸件顶端的温度梯度。实验结果表明,通过在铸型表面涂挂氧化铬涂层材料,显著提高了铸型表面辐射散热性能,降低了铸件顶端的一次枝晶间距。铸件顶端的一次枝晶平均间距为336 μm,较未涂挂任何涂层减小12.5%,较涂挂石墨涂层减小2.9%,定向晶组织得到显著细化。采用铸型外表面涂挂氧化铬辐射涂层的方法成形的复杂结构空心涡轮叶片定向晶组织形态良好。     

三维铸件定向凝固过程模拟Ⅱ——非稳态定向凝固过程边界元解

定向凝固过程可分为两个阶段即为抽拉前的稳态过程和抽拉后的非稳态过程,此部分用边界元法对三维瞬态过程进行了数值模拟,给出了定向过程中的热源及温度分布特性。     

宽变冷速对定向凝固合金枝晶偏析的影响

利用多种定向凝固技术,研究了冷却速率在10~(-2)～10~2K/s范围内变化时对定向凝固钻基高温合金枝晶偏析的影响。结果表明:增大冷却速率可有效抑制枝晶偏析,对易偏析元素其效果更明显;冷却速率的增大细化了凝固组织的一次间距、加剧了溶质的非平衡分凝是抑制偏析的主要原因。     

低镍奥氏体不锈钢定向凝固组织CAFE法模拟

通过对ProCAST&CAFE软件进行二次开发建立凝固过程动态边界条件,模拟低镍奥氏体不锈钢定向凝固过程中的温度场和固相分数,并探讨抽拉速率对凝固微观组织的影响。结果表明,随着抽拉速率的增大,等温线变密,糊状区变窄;铸件一次枝晶臂逐渐细化,边缘侧向散热逐渐远小于中心纵向散热造成一次枝晶轴向偏差度逐渐减小,晶粒择优取向效果提高。与此同时,模拟结果与实验结果吻合较好,模拟计算形核、生长及取向过程较为合理。     

改进单晶高温合金性能的途径

采用籽晶法在自制的高温高梯度ＬＭＣ定向凝固设备上制取了以平面、胞状、粗枝以及细枝界面形态凝固的ＮＡＳＡＩＲ１００单晶。研究了其铸态以及经１２８０℃、１３００℃和１３２０℃×４ｈＡ．Ｃ．处理的组织和性能。结果表明,快速的抽拉速率和尽可能高的固溶温度显著改善单晶高温合金的性能,在相同的抽拉速率下,高温度梯度显著降低显微疏松含量,缩小树枝晶间距,并且能够得到细小的、形状较规则的γ′相。     

定向凝固Rene125合金热裂倾向性研究

采用半定量等级评定方法，对定向凝固高温合金Ｒｅｎｅ１２５热裂倾向性进行了研究。试验结果表明，本文提出的热裂倾向性半定量等级评定方法具有较好的重复性；炉膛温度、浇注温度和壳型抽拉速率等定向凝固工艺参数对Ｒｅｎｅ１２５合金的热裂倾向性有明显的影响。     

辅助冷、热源防止焊缝凝固裂纹的研究

控制焊缝凝固时所受的拉伸应变是防止焊缝凝固裂纹产生的有效方法之一。利用数值模拟和试验研究了施加辅助冷、热源改变焊接温度场，减少焊缝所受的拉伸应变的规律以及施加冷、热源后对焊接接头组织和硬度的影响。研究表明：辅助热源的能量密度及施加位置合适时，可以有效地降低拉伸应变，防止凝固裂纹产生；施加辅助冷源也可以降低焊缝所受的拉伸应变，但效果不如辅助热源显著；在本试验条件下施加辅助冷、热源对焊接接头的组织影响不大，对硬度也无明显的影响。