单晶涡轮叶片定向凝固过程应力场数值模拟

针对单晶涡轮叶片壁厚尺寸精度偏低和壁厚尺寸漂移大等瓶颈问题,考虑叶片定向凝固过程边界条件不精确因素,通过实际温度数据采集,采用温度场与应力场耦合的有限元模拟方法,对单晶涡轮叶片定向凝固过程进行三维动态模拟,并结合单晶气冷叶片的工作状态,对模拟结果进行定性分析,得到应力分布规律。研究结果表明:当榫头进气窗口倒圆角R=0.5 mm时,叶片最大铸造热应力出现在榫头底面四大进气窗口区域,该区域最大应力比叶身截面最大应力高28.4%;该仿真方法可准确反映单晶涡轮叶片凝固过程温度/应力动态变化,将为避免叶片出现大铸造残余应力区,预防变形工艺,提高叶片壁厚尺寸精度及尺寸稳定性,提供量化参考依据。     

铸造温度—速度参数对无碳单晶高温合金组织的影响

研究了在两种定向凝固炉和ISP2/Ⅲ—DS上以不同的铸造参数制得的两种单晶高温合金DD3和36的显微组织,结果表明:在8炉上得到的单晶具有较细的枝晶尺寸、较分散的相组成以及较少的显微疏松,这是因为8炉的固—液界面温度梯度比ISP2/Ⅲ—DS炉高约50％。     

抽拉速率对定向凝固DZ4125合金温度场及晶粒竞争生长的影响

为探究定向凝固DZ4125柱晶高温合金中温度场分布情况，并研究不同抽拉速率对温度梯度及糊状区变化的影响规律，利用ProCAST软件对抽拉速率分别为3、5、7 mm/min的定向凝固过程进行模拟。结果表明：当试棒位于保温区时，等温线呈外侧低内侧高的倾斜分布，当试棒位于冷却区时，等温线呈外侧高内侧低的倾斜分布；随着抽拉速率的增加，温度梯度逐渐减小；糊状区形状取决于抽拉速率和距水冷盘的距离，当抽拉速率为5 mm/min时，凝固前沿水平状保持的时间最长；在此基础上，对定向凝固试棒进行精铸实验，并研究3mm/min和7 mm/min下试棒液相线形状与晶粒结构之间的关系，发现液相线呈凹形和凸形时，晶粒分别向试棒中心和表面方向生长，水平的液相线能促进晶粒沿试棒轴线方向生长。     

单晶高温合金固液界面形状及对凝固组织的影响

ＤＤ８单晶高温合金在高温度梯度宽变速定向凝固装置上进行了单晶定向凝固实验，并在实验基础上系统地分析了凝固条件对固液界面形状及凝固组织缺陷的影响。结果表明，提高冷却速率，限制凝固速率在特定临界速率Ｖ＊以下，可以保持平直的固液界面；当超过这一临界速率Ｖ＊时，固液界面出现下凹，下凹的间液界面将导致形成小角度晶界、显微组织疏松及发散凝固组织，高凝固速率将导致定向凝固过程的个稳定性，制造冷却速率的定向凝固装置是实现快速定向凝固的必要条件。     

数值模拟技术在航空发动机高温合金单晶叶片制造中的应用

定向凝固单晶叶片铸件生产工艺复杂、控制要求高,因而通过试验研究高温合金单晶叶片的成本较高,且研发周期长.随着现代计算机软硬件技术的发展,数值模拟技术发展迅速,在工业领域得到了广泛的应用.通过数值方法可模拟航空发动机涡轮叶片的定向凝固过程、预测最终的微观组织和缺陷情况,能够优化定向凝固生产工艺,提高叶片质量,降低研发成本,缩短研发时间.     

定向凝固涡轮叶片的晶体热粘塑性变形与损伤分析

采用一种考虑损伤的单晶体热—粘塑性变形本构模型和迭代求解数值方法,可以描述单晶在变温过程中的应力应变关系,还可以描述单晶在晶体滑移机制控制下的蠕变变形和孔洞型损伤;考虑定向凝固高温涡轮叶片的柱晶结构,应用本文模型和算法对包含若干个柱晶晶粒的定向凝固气冷涡轮叶片进行不均匀温度场下的变温热粘塑性蠕变和损伤分析。分析结果表明:该涡轮叶片在本文考虑条件下处于较低的应力水平,500小时叶尖蠕变伸长低于0.006mm。      

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。     

高温合金的高速定向结晶

本文论述了高温合金定向结晶工艺的发展方向及对定向结晶装置进行的研究和改进。研究结果表明,所研制的定向结晶装置可使高温合金的结晶速度达到4～8mm/min(一般定向结晶)和16～80mm/min(液体金属冷却的高速定向结晶)。高速定向结晶工艺可显著提高铸件的主要使用性能及铸件生产率。     

叶片定向凝固工艺

氧化铝壳型是国内目前唯一用于生产无余量定向凝固叶片和单晶叶片的熔模铸造工艺，具有型壳高温强度大、抗热震性好、工艺简单、定向凝固叶片尺寸精确及表面粗糙度低等优点。     

C含量对第二代单晶高温合金组织的影响

在高温度梯度真空定向凝固炉中,制备不同C含量的单晶高温合金,研究不同C含量对第二代单晶高温合金显微组织的影响。结果表明:C含量对合金枝晶间距的影响较小;随着C含量增加,共晶含量和尺寸减小,碳化物含量增加,其形貌由块状向骨架状、汉字状转变;随着C含量增加,Ta元素枝晶偏析减轻,Re,W,Mo,Nb元素枝晶偏析加重;C含量对铸态和热处理γ'相尺寸和形貌影响较小;热处理后碳化物的形貌无明显变化。     

镍基单晶高温合金DD2梯度定向凝固行为

利用高梯度（250K／cm）走向凝固装置（LMC），对不同凝固条件下DD2单晶高温合金的定向凝固行为进行了研究。结果表明，在一定温度梯度下，通过改变凝固速率可以得到以平面状、胞状、树枝状凝固界面生长的DD2单晶；随着冷却速率的增大，一次枝晶间距减小、组织均化，且所得一次枝晶间距与凝固参数的关系基本符合Hunt模型。     

高梯度双区加热定向凝固装置的研制

论述了双区加热定向凝固的原理，研制出了高梯度双区加热定向凝固装置。采用该装置进行定向凝固，既提高了固液界面前沿液相中的温度梯度，又大幅度降低了合金元素的烧损。     

定向凝固和单晶高温合金再结晶影响因素

定向凝固和单晶高温合金具有优异的高温力学性能,是制造先进航空发动机涡轮叶片的主要材料。定向凝固和单晶高温合金的优异性能主要来源于消除了与应力轴垂直的晶界,而再结晶的出现会显著降低合金的高温力学性能。本文基于近年来国内外对于定向凝固和单晶高温合金再结晶行为的研究,系统分析和总结了定向凝固和单晶高温合金再结晶的主要影响因素,包括热处理温度、热处理时间、第二相粒子、变形温度、高温氧化、以及表面处理工艺等因素对再结晶的影响。     

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。     

高温度梯度定向凝固下Ni-NbC合金的组织演化

在温度梯度300K/cm和定向凝固速率5～20μm/s下,Ni-10.6wt%NbC合金以平界面方式凝固,当凝固速率达到50μm/s 时,合金凝固组织中出现共晶胞状组织.随定向凝固速率的增大,三叶状和点状形态的NbC相向条状NbC相过渡.当定向凝固速率从2μm/s跃迁变化到10μm/s时,Ni-10.6wt%NbC合金凝固组织仍然以规则共晶生长;而跃迁变化到50和100μm/s时,出现起伏较大的共晶胞状组织和初生相Ni枝晶的生长.另外采用速率跃迁变化可以细化恒定定向凝固速率下的组织,组织的细化是通过NbC相重新成核,使纤维间距减少进行的.     

镍基高温合金叶片定向凝固过程宏微观数值模拟研究进展

随着航空工业的发展,对发动机特别是涡轮叶片的性能要求也越来越苛刻。目前涡轮叶片的组织主要为柱状晶或单晶,采 用定向凝固技术制造。由于合金元素种类繁多、叶片形状和内腔复杂,在制造过程中叶片容易产生各种铸造缺陷,如杂晶、大/小角晶 界、雀斑等,导致叶片合格率低、研发周期长、制造成本高。数值模拟技术作为一种低能耗、高效率、短周期的研究方法,能有效预测缺 陷产生,优化涡轮叶片定向凝固工艺,提高成品率。介绍了高温合金涡轮叶片定向凝固模拟的物理数学模型,总结了国内外航发叶片 成形过程中数值模拟技术的研究进展,并对其发展方向进行了展望。     

镍基单晶高温合金DD11杂晶形成的过冷度时间判定

以第二代镍基单晶高温合金DD11为研究对象,参照工程单晶铸件横向突变结构设计平台试样进行浇注及定向凝固实验。采用光学显微镜(OM)观察平台晶体组成及其形貌特征,并借助差热分析法(DSC)研究DD11合金的过冷效应。以过冷度时间(ΔT/v)判定杂晶形成条件,探讨平台尺寸、空间位置及抽拉速率对杂晶形成倾向性的影响机制,并研究定向凝固过程中的杂晶形成规律。结果表明,当抽拉速率为2mm/min时,外侧平台长度从8mm到26mm均未形成杂晶,而内侧平台尺寸超过18mm时开始形成杂晶,表明较大的平台试样长度和内侧位置会增加杂晶形成的倾向性。随着抽拉速率提高到6mm/min,不同尺寸的外侧平台均形成杂晶,内侧平台则在尺寸大于12mm后出现杂晶,表明增加抽拉速率均提高内外侧平台试样的杂晶形成倾向。与内侧平台试样相比,抽拉速率对外侧平台试样形成杂晶的影响更显著。平台尺寸、空间位置及抽拉速率影响了定向凝固过程中的环境温度和冷却速率,其通过产生较小过冷度时间(ΔT/v)从而增加了杂晶形成的倾向性。     

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。     

涡轮叶片合金筏化量化表征及寿命退化研究

针对单晶/定向凝固涡轮叶片服役过程中微观组织筏化及其造成的叶片力学性能劣化问题,发展了一种基于旋转割线方法的微结构筏化参数提取方法,并提出筏化状态的量化表征因子。对不同组织筏化和粗化状态的定向凝固高温合金开展高温低周疲劳试验,建立了量化筏化状态和合金疲劳寿命退化的映射关系。结果表明:无论是粗化还是筏化都会造成合金疲劳寿命的大幅劣化,所建立的镍基高温合金筏化量化因子能够有效地表征合金疲劳寿命的衰减。     

超高速定向凝固K10合金组织与碳化物形态的变化

利用超高梯度定向凝固装置,其液固界面前沿温度梯度达1000～1300K/cm,研究了超高速定向凝固条件下,K10合金的超细柱晶组织,碳化物形态及分布的变化。经试验表明:定向凝固柱晶组织中,一次枝晶高度细化,二次枝晶退化甚至消失。碳化物呈方向性排列,形态由普通铸态下的岛状变成蠕虫状。