【摘要】：高溫合金對于航空發(fā)動機和燃氣輪機的發(fā)展至關(guān)重要,制備高溫合金單晶葉片主要涉及材料和工藝兩部分。目前制備鎳基高溫合金葉片最主要的工藝是基于Bridgman的鑄件移出或膜殼移出法的快速凝固法(HRS)。對定向凝固高溫合金凝固過程和微觀組織的模擬,研究高溫合金的重要手段和方法,相較于實驗,具有周期短、成本低等特點,是國內(nèi)外學(xué)者研究的重點和熱點方向。本文針對DD3鎳基高溫合金的定向凝固進行數(shù)值模擬,研究不同工藝條件對定向凝固溫度場和微觀組織的影響,并揭示其作用機制,研究選晶器引晶段和選晶段晶粒形核/生長行為,確定選晶器設(shè)計規(guī)范。(1)將多組元的鎳基高溫合金拆分成多組二元系合金,闡述凝固過程數(shù)學(xué)模型和微觀動力學(xué)模型并據(jù)此計算出模擬所需的各種參數(shù),包括溶質(zhì)分配系數(shù)、液相線斜率等。(2)對定向凝固兩個重要工藝參數(shù):抽拉速度和加熱區(qū)溫度進行研究,采用控制變量法研究這兩個工藝參數(shù)對凝固過程和微觀組織的影響和規(guī)律,模擬結(jié)果表明:提高抽拉速度,能夠提高液相區(qū)溫度梯度,細化枝晶組織,但抽拉速度提高,糊狀區(qū)寬度增加、位置下移、界面下凹,雜晶傾向增加;提高加熱區(qū)溫度,可以提高固相區(qū)溫度梯度從而提高液相區(qū)溫度梯度,細化枝晶組織;分析并確定平臺處糊狀區(qū)雜晶產(chǎn)生的原因(3)對選晶器引晶段引晶行為進行研究,利用UG建模軟件繪制直徑為15mm、高度為100mm的圓棒,對圓棒進行凝固模擬以及CAFé模擬。棒狀式樣中晶粒密度隨著距離水冷銅臺距離的增加而不斷下降:0~10mm為指數(shù)下降區(qū)、10~40mm為線性下降區(qū)、40mm以上為穩(wěn)定區(qū);晶粒取向與距離水冷銅臺的距離的關(guān)系類似。在距離水冷銅臺30~40mm的距離上,晶粒取向偏離應(yīng)力主軸方向平均偏離角度在10°左右,晶粒密度基本不再變化,因此引晶段高度應(yīng)設(shè)為30~40mm之間,本文設(shè)置為36mm。(4)對選晶器螺旋段選晶行為進行研究,利用UG繪制不同螺旋升角的選晶器,對不同裝配有不同選晶器的模型進行鑄造凝固模擬和CAFé模擬。根據(jù)研究結(jié)果分析,螺旋段實現(xiàn)選晶主要是通過螺旋段在縱向方向?qū)ЯＲ淮尉У淖璧K作用,在橫向方向?qū)Я６尉У拇龠M作用。晶粒的淘汰與進入選晶器的位置存在直接關(guān)系,靠近螺旋選晶器下沿晶粒將獲得生長優(yōu)勢。螺距s~h和螺旋段直徑w~d以及螺旋升角θ之間應(yīng)當(dāng)滿足h_sd_wtanθ。螺旋升角對晶粒取向偏離應(yīng)力主軸(本文中為葉片縱向方向)平均偏差并沒有明顯作用。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：V233;TG132.3
【圖文】：

- 8 -圖 1-2 功率降低法Fig.1-2 Power reduction resolution為了克服功率降低法溫度梯度較低和晶體取向差問題，將 Bridgman 法[44]應(yīng)用到定向凝固中，從而發(fā)展出了快速凝固法[45]（High Rate Solidification，HRS）。Bridgman 法利用了鑄型移出技術(shù)，通過隔熱板和水冷套實現(xiàn)，鑄件以一定的速度移出鑄型或者鑄型以一定的速度移出鑄件，從而獲得較高且比較穩(wěn)定的溫度梯度、穩(wěn)定的單向熱流�？焖倌谭ㄖ校虅傞_始時，主要通過水冷銅臺的激冷作用將熱量導(dǎo)出，隨著凝固的進行，凝固的固態(tài)組織越來越多從而導(dǎo)致金屬液與水冷銅臺的熱阻越來越大，固相溫度梯度越來越低進而導(dǎo)致固液界面前沿的溫度梯度逐漸降低。為了克服快速凝固法固液界面前沿溫度梯度會隨著凝固的進行逐漸降低的缺點，一些新的定向凝固技術(shù)被提出來，典型的有液態(tài)金屬冷卻法（Liquid Metal

圖 1-3 快速凝固法[46-47]圖 1-4 液態(tài)金屬冷卻法[48][48]Fig.1-3 High Rate Solidification Fig.1-4 Liquid Metal Cooling1.4 鑄造數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展概括1.4.1 鑄造模擬仿真技術(shù)的過去及現(xiàn)狀對鑄造過程的數(shù)值模擬屬于鑄造領(lǐng)域的前沿研究方向，是涉及凝固學(xué)、計算機科學(xué)、信息技術(shù)、物理學(xué)等多學(xué)科融合的新興研究方向，按照研究研究的側(cè)重點不同，可以分為充型過程模擬、凝固過程模擬、溫度場模擬、微觀組織模擬、缺陷預(yù)測和力學(xué)性能模擬等[49]。經(jīng)過幾十年的探索與研究，鑄造的數(shù)值模擬，經(jīng)歷了基礎(chǔ)研究階段、預(yù)測研究階段和優(yōu)化研究階段等三個階段，部分技術(shù)上取得了一系列的成果，已經(jīng)達到工程實用階段，尤其對凝固的溫度場模擬已經(jīng)相當(dāng)成熟[39]。鑄造模擬主要是通過對鑄造工藝的充型和凝固過程進行模擬，進而研究并確定工藝參數(shù)對鑄件組織和性能的影響和規(guī)律，并根據(jù)研究成果制定鑄造工藝并對實際生產(chǎn)的工藝進行改進，相對于傳統(tǒng)的確定工藝的方法，采用數(shù)值模擬方法可[50]

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 郭如峰;劉林;李亞峰;趙新寶;張軍;傅恒志;;液態(tài)金屬冷卻法制備DD403合金過程溫度場和晶粒組織的數(shù)值模擬[J];鑄造;2014年02期

2 唐中杰;郭鐵明;付迎;惠枝;韓昌松;;鎳基高溫合金的研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J];金屬世界;2014年01期

3 王檸;劉林;高斯峰;趙新寶;張軍;傅恒志;;鎳基單晶高溫合金螺旋選晶過程的數(shù)值模擬[J];稀有金屬材料與工程;2013年12期

4 張航;許慶彥;孫長波;戚翔;唐寧;柳百成;;單晶高溫合金螺旋選晶過程的數(shù)值模擬與實驗研究 Ⅰ.引晶段[J];金屬學(xué)報;2013年12期

5 孟凡來;田素貴;王明罡;于興福;杜洪強;水麗;胡壯麒;;鎳基單晶合金組織演化及對晶格錯配度的影響[J];材料研究學(xué)報;2007年03期

6 胡紅軍;楊明波;龔喜兵;李國瑞;;鑄造工藝的數(shù)值模擬優(yōu)化[J];兵器材料科學(xué)與工程;2006年06期

7 胡壯麒,劉麗榮,金濤,孫曉峰;鎳基單晶高溫合金的發(fā)展[J];航空發(fā)動機;2005年03期

8 樊康旗,賈建援;經(jīng)典分子動力學(xué)模擬的主要技術(shù)[J];微納電子技術(shù);2005年03期

9 康秀紅,杜強,李殿中,李依依;用元胞自動機與宏觀傳輸模型耦合方法模擬凝固組織[J];金屬學(xué)報;2004年05期

10 李強;李殿中;錢百年;;凝固過程中枝晶組織形貌演變模擬進展[J];材料導(dǎo)報;2004年04期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 玄偉東;高溫合金定向凝固雜晶形成規(guī)律及其控制研究[D];上海大學(xué);2013年

2 嚴衛(wèi)東;鋁合金及高溫合金鑄件凝固過程中晶粒組織形成的計算機模擬[D];西北工業(yè)大學(xué);2002年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 王海南;熱型連鑄過程微觀組織的計算機模擬[D];甘肅工業(yè)大學(xué);2001年

本文編號：2713967