精密鑄造定向凝固工藝是整體鑄造復雜形狀高溫合金葉片的主要技術(shù),被廣泛應用于航空類高溫復雜零部件成形制造中。目前,定向凝固過程實驗研究無法直觀地反映工藝-物理場-凝固組織之間影響過程機理,而數(shù)值模擬研究在一定程度上雖然能得到一些定向凝固過程工藝影響規(guī)律和組織演變機理,但由工藝到鑄件凝固組織是一個涉及多尺度耦合的過程,單個尺度的數(shù)值模擬研究常常忽略了定向凝固過程的多尺度聯(lián)系,易導致無法實際準確表征定向凝固組織演化過程機理。據(jù)此,本文針對實際航空鎳基高溫合金葉片精密鑄造定向凝固工藝過程,采用數(shù)值模擬與實驗研究方法,系統(tǒng)研究了定向凝固過程宏觀尺度傳熱、微觀尺度組織生長及介觀晶粒演化生長行為與機理,深入探索了多物理場多尺度之間耦合作用對凝固組織的影響規(guī)律,開發(fā)了基于華鑄CAE定向凝固過程多尺度數(shù)值預測分析系統(tǒng),并應用于航空單晶葉片定向凝固過程的工藝優(yōu)化,科學指導實際生產(chǎn)。主要研究工作與取得的成果如下。開展了定向凝固過程多尺度實驗。在宏觀尺度上,研究了定向爐膛設備傳熱關(guān)鍵位置和鑄件系統(tǒng)溫度場分布規(guī)律,結(jié)果表明,對于隔熱板不同位置,隔熱板內(nèi)部位置溫度場相對最穩(wěn)定,對于水冷銅環(huán)不同位置,越往下遠離加熱區(qū)和隔熱區(qū),其溫度場越不穩(wěn)定;在微觀尺度上,研究了鎳基高溫合金定向凝固柱狀晶組織的演化規(guī)律,結(jié)果表明,該鎳基高溫合金定向凝固柱狀晶局部橫截面枝晶尺寸最大超過了500微米,一次枝晶間距大小為0.189 mm;在介觀尺度上,分析介觀晶粒在定向溫度場作用下的競爭生長規(guī)律,結(jié)果表明,隨著沿Z軸正方向凝固生長,各截面晶粒數(shù)逐漸降低,但晶粒尺寸逐漸增大。構(gòu)建了定向凝固過程多尺度耦合數(shù)學模型。在宏觀尺度上,修正了定向凝固過程宏觀尺度傳熱數(shù)值模型;在微觀尺度上,改進了微觀組織生長數(shù)值模型;在介觀尺度上,建立了適用于有限區(qū)域多晶粒介/微觀組織演化數(shù)值模型;最后,綜合宏觀傳熱模型與介/微觀晶粒演化模型,同時考慮初生枝晶-二次共晶耦合生長,構(gòu)建全尺寸鑄件的直接凝固組織演化多尺度耦合模型。在定向凝固過程宏觀尺度傳熱研究上,提出了一種針對定向凝固爐膛中復雜鑄件系統(tǒng)的變時間步長特征射線動態(tài)追蹤算法,并改進了差分網(wǎng)格外表面輻射熱量數(shù)值計算精度。對定向凝固抽拉階段多個葉片宏觀溫度場進行了數(shù)值模擬研究,模擬結(jié)果表明,模殼最終溫度場呈現(xiàn)中心徑向?qū)ΨQ分布,模殼徑向向外的外表面溫度場都大于模殼徑向向內(nèi)的表面溫度場。在定向凝固微觀尺度組織研究上,改進了CA數(shù)值模擬方法,采用27點溶質(zhì)場離散格式對微觀枝晶生長過程進行了數(shù)值離散求解,對微觀枝晶生長進行了數(shù)值模擬分析,結(jié)果表明,在入口速度V為5.0×10~(-4) m·s~(-1)時,隨著過冷度的增大,枝晶形貌非對稱性生長影響逐漸減小,在過冷度ΔT為4 K時,隨著入口速度的增大,枝晶形貌非對稱性生長影響逐漸增大;取向越大的枝晶其枝晶臂形貌更繁茂,更易阻礙淘汰鄰近其它枝晶的生長。在定向凝固介觀尺度組織研究上,提出了一種在同一介觀網(wǎng)格尺度下定量計算固相分數(shù)的晶粒界面追蹤模擬算法,并研究了形核參數(shù)對定向凝固組織等軸晶向柱狀晶的影響規(guī)律,模擬結(jié)果表明,當平均過冷度與過冷度方差比值逐漸增大時,熔體內(nèi)部的形核參數(shù)將逐漸對鑄件組織影響減小。研究了冷卻速率、溫度梯度對凝固晶粒尺寸及組織結(jié)構(gòu)(ECT)分布的影響規(guī)律,模擬結(jié)果表明,隨著冷卻速率的增大,等軸晶晶粒尺寸由粗大變細小,晶粒數(shù)明顯增大,同時溫度梯度的增加能促進了柱狀晶的快速生長,從而抑制晶粒形核數(shù)。在定向凝固宏-介/微觀多尺度耦合研究上,對單晶葉片引晶段與選晶段凝固組織演變過程進行數(shù)值模擬分析,模擬結(jié)果表明,在低抽拉速度下,可提高選晶器淘汰晶粒個數(shù),但將延長選晶距離。對全尺寸單晶葉片定向凝固組織進行數(shù)值模擬分析,模擬結(jié)果表明,當減小葉片變截面尺寸時,可有效抑制雜晶形成。最后,設計開發(fā)了基于華鑄CAE的定向凝固多尺度模擬軟件數(shù)值計算模塊。對定向凝固縮松縮孔進行數(shù)值模擬分析,模擬結(jié)果表明,在不同視角下,縮松縮孔分布在引晶段頂端邊緣與葉冠邊緣,其中縮孔只分布于葉冠處。對單晶葉片定向凝固組織演變過程進行多尺度模擬工藝優(yōu)化,模擬結(jié)果直觀體現(xiàn)了宏觀等溫線內(nèi)凹形狀容易在具有復雜外形的單晶鑄件平臺形成較大過冷度,導致產(chǎn)生雜晶缺陷,而水平或者外凸形狀則不會導致雜晶。
【學位單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：V232.4;TG244.3
【部分圖文】：

華 中 科 技 大 學 博 士 學 位 論 文相關(guān)的影響機理尚不明確，圖 1-2 為凝固尺度定義分類。除此之外，在定向凝固過程中，其定向爐膛的復雜輻射傳熱、高度真空及動態(tài)抽拉等特性會導致實驗研究具有一定的局限性和風險性，采用傳統(tǒng)試驗-修正的往復試錯研究方法耗時耗力，因此，如何高效地、精確地獲取不同尺度之間“工藝-多場-組織”變化規(guī)律，為實際生產(chǎn)性能優(yōu)良的渦輪葉片成為目前亟待解決的研究難點。

華 中 科 技 大 學 博 士 學 位 論 文相關(guān)的影響機理尚不明確，圖 1-2 為凝固尺度定義分類。除此之外，在定向凝固過程中，其定向爐膛的復雜輻射傳熱、高度真空及動態(tài)抽拉等特性會導致實驗研究具有一定的局限性和風險性，采用傳統(tǒng)試驗-修正的往復試錯研究方法耗時耗力，因此，如何高效地、精確地獲取不同尺度之間“工藝-多場-組織”變化規(guī)律，為實際生產(chǎn)性能優(yōu)良的渦輪葉片成為目前亟待解決的研究難點。

Carter 等[31]對螺旋型選晶器進行了拓展研究原理。然而，HRS 法只是采用有限的輻射換熱和冷端在較大的熱損失，難以形成較高的溫度梯度。為了獲在 HRS 法基礎上，美國 P&W 公司 Giamei 等[32, 33]在冷卻法（Liquid metal cooling method，簡稱 LMC 法）件浸沒于液態(tài)金屬中，而液態(tài)金屬具有高導熱和低熔梯度，但 LMC 法仍存在液態(tài)金屬有毒、設備結(jié)構(gòu)復在定向凝固方法中的獲得更高的過冷度，Lux 等[34]提 undercooling directional solidification，簡稱 DUDS 法溫度梯度實現(xiàn)快速定向凝固法（LRM 法），西北工業(yè)度定向凝固（ZMLMC）方法，考慮到上述定向凝固用化程度[38]，截止到目前，HRS 法和 LMC 法仍是精用最廣泛的兩種方法，圖 1-1 為兩種定向工藝過程示

本文編號：2845896