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。     

A1-3.4%Bi合金定向凝固组织形成过程

对Al-3.4%Bi(质量分数)偏晶点成分合金开展了定向凝固实验,并对其凝固组织形成过程进行分析.结果表明,Al-Bi偏晶点成分合金定向凝固时在凝固界面前沿液相内形成溶质Bi富集层,并在该区域内发生液液相变.当试样凝固速度较慢时,合金凝固后弥散相粒子尺寸呈现双峰分布;当凝固速度较快时,凝固界面前沿所有尺寸的少量相液滴均向凝固界面迁移,合金凝固后弥散相粒子尺寸呈现单峰分布.     

基于循环应变特征的疲劳-蠕变寿命预测方法

为研究非对称加载下疲劳-蠕变交互作用对粉末高温合金涡轮盘寿命的影响,开展了550 ℃时不同应力水平及保载时间下FGH96粉末高温合金的低周疲劳-蠕变试验,得到了材料的循环应变响应及疲劳-蠕变寿命随保载时间的变化规律。在此基础上,结合材料的循环软化特征,以循环应变范围作为损伤控制参量,将其与保载时间和动态循环次数相关联,提出了一种基于循环应变特征的疲劳-蠕变寿命预测方法。该模型综合考虑了载荷历程和保载时间对材料疲劳-蠕变损伤的影响,能够实现不同应力水平、不同保载时间下FGH96粉末高温合金疲劳-蠕变寿命预测以及消耗寿命的动态跟踪。通过与工程上常用的几种模型进行对比,发现新模型具有较高的预测精度,且预测结果分散性较小,寿命预测结果基本位于±2.5倍寿命分散带之内,预测标准差小于0.4。     

激光增材制造过程数值仿真技术综述

数值仿真是研究激光增材制造过程中各类物理现象、揭示零件缺陷形成机理、优化增材制造工艺参数的重要手段,该领域学者针对增材制造过程中的热分析、金属粉末颗粒性质分析、微观结构分析、质量缺陷成因分析等方面,开展了大量研究,提出了相应的数学模型和方法。激光增材制造过程的数值仿真是一个在空间和时间上均跨越多个尺度的复杂问题,微观、介观、宏观尺度下数值仿真所关注的对象和所使用的方法各不相同;多数研究聚焦于某一尺度下的过程仿真,另一部分研究则基于不同模型的数据关系建立模型间的耦合关系,实现热-相、热-力的综合分析。对现阶段激光增材制造数值仿真领域的主要技术进行了综述,在梳理数值仿真基本流程的基础上,对其中涉及的热源模型,粉末模型,力学模型以及微观结构模型进行了介绍,讨论了其特点和适用性;结合相关技术领域的发展,探讨了激光增材制造数值仿真技术的发展方向,旨在为本领域的技术研究与发展提供参考。     

应力对DD5单晶高温合金持久过程中析出相的影响

利用扫描电镜和透射电镜研究了DD5单晶高温合金在持久性能测试过程中试样不同位置析出相的析出规律,分析了应力对析出相析出行为的影响并鉴定了两种析出相的种类。研究结果表明该合金在1 038 ℃/172 MPa条件下随着局部拉应力的增大,枝晶间和枝晶干析出相数量都明显增加;合金在871 ℃/552 MPa条件下只在枝晶间区域析出少量粒状析出相,且随拉应力的增大,析出相数量有所增加;透射电镜分析表明合金的枝晶干区域的析出相主要为μ相,枝晶间析出粒状析出相主要为M₂₃C₆碳化物相。     

粉末火箭发动机推力调节试验研究

为了验证粉末火箭发动机的多次点火启动及推力调节等技术,利用设计的发动机开展了试验研究。研究结果表明,在高能火花塞作用下,粉末火箭发动机可实现多次点火启动及关机,且启动及关机的次数、时间间隔等可随意调节;通过调节粉末燃料和氧化剂的流量,可实现粉末火箭发动机的推力调节技术,推力调节比达到6.5。     

等离子熔覆CoCrCuFeNiMn高熵合金研究

采用等离子熔覆技术在Q235钢基体上制备了fcc结构的CoCrCuFeNiMn高熵合金熔覆层,并研究了熔覆层的组织结构以及800℃、1200℃退火对熔覆层显微组织和硬度的影响。结果发现,熔覆层显微组织为树枝晶,枝晶间为富Cu面心立方固溶体,有纳米编织组织析出,枝晶内为多种元素固溶的面心立方固溶体。熔覆层经过800℃和1200℃退火4h后,没有新相析出,元素偏聚现象未发生明显变化,晶粒发生明显的粗化。     

GH4169晶粒尺寸的双目标超声评价方法

针对仅以评价准确性为目标的多超声评价方法易失去单调可评价性这一问题,同时以准确性、单调性为优化目标,提出一种面向GH4169晶粒尺寸的双目标多超声参数评价方法。根据相关性准则选取多超声参数,并构建二次多项式评价关系模型;以平均绝对误差为准确性评价目标,以斯皮尔曼相关系数为单调性评价目标,构建以评价模型待定参数为决策变量的双目标优化问题,并利用多目标优化算法求解获得最终的超声评价模型。结果表明:该方法所确定的模型的偏差与相对误差分别为3.05%与10.69%,这表明其准确度及稳定性均显著优于其他模型。     

基于ProCAST的高Nb-TiAl合金叶轮熔模铸造

通过铸造模拟软件ProCAST实现高Nb-TiAl合金叶轮熔模铸造充型凝固过程的模拟仿真,研究浇注充型工艺对合金熔体充型、缩孔缩松等充型凝固特性的影响,优化相应工艺;进行浇注实验与铸件的无损检测分析,并进行铸件的解剖分析验证缩孔缩松分布;使用附注试棒研究叶轮在室温和高温下的力学性能。结果表明:ProCAST软件对高Nb-TiAl铸件缩孔缩松预测较为准确,通过模拟仿真预测结果优化了工艺方案从而避免了铸件中大尺寸缩孔缩松的形成,在最终的铸件中只存在尺寸小于22μm的显微缩孔;所有铸件均实现完整充型,铸件室温抗拉强度约580 MPa,850℃高温抗拉强度约450 MPa。     

裂纹尖端压缩应力对闭合和扩展特性影响的数值模拟

为了研究FGH97粉末高温合金的塑性诱导裂纹闭合现象,采用有限元方法分析了FGH97紧凑拉伸试样的裂纹扩展和裂纹闭合效应,考察了裂纹尖端单元尺寸、本构模型和节点释放周期对闭合比的影响,提出了修正闭合比和修正有效应力强度因子范围的概念,同时进行了寿命预测并和试验结果进行对比。结果表明:随着裂纹尖端单元尺寸从40μm减小至3μm,闭合比逐渐增大至收敛。各向同性硬化模型的闭合比约为0.51,随动硬化模型的闭合比约为0.44,Chaboche模型的闭合比约为0.48,闭合比的大小可以用裂纹尖端压缩应力区域尺寸反映。随着节点释放间隔周期数的增加,压缩应力区域尺寸和闭合比逐渐降低。裂纹扩展试验结果表明:根据修正有效应力强度因子范围进行寿命预测,与试验结果偏差为3.86%。