【摘要】：鎳基高溫合金因其具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、抗疲勞性能、抗高溫腐蝕性和高溫合金組織穩(wěn)定性被廣泛應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)和航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端部件,如大型燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片和高壓渦輪葉片等。目前,這類高溫合金渦輪葉片通常采用定向凝固的方法進(jìn)行加工制備,因雀斑、雜晶、縮松等凝固缺陷的存在極大地限制了鎳基高溫合金在大型燃?xì)廨啓C(jī)葉片制備中的應(yīng)用前景。而這些凝固缺陷在渦輪葉片中的形成機(jī)制與定向凝固過程中的溫度場、流場以及溶質(zhì)場的分布特征和演化規(guī)律高度相關(guān)。但現(xiàn)階段就大型燃?xì)廨啓C(jī)空心渦輪葉片凝固過程中的各種物理場之間的耦合交互作用還缺乏深入系統(tǒng)的研究、尚未提出準(zhǔn)確的凝固缺陷判據(jù)和有效的工藝方案去預(yù)測并控制大型渦輪葉片中凝固缺陷的形成。為此,本文以第三代高溫合金CMSX-4為研究對(duì)象,重點(diǎn)研究了其在定向凝固過程中大型空心渦輪葉片的溫度場、流場、溶質(zhì)場以及電磁場等耦合物理場的分布特征及其演化規(guī)律;并提出了考慮動(dòng)壓力項(xiàng)的雀斑形成判據(jù)來預(yù)測大型燃?xì)廨啓C(jī)空心渦輪葉片中雀斑形成的具體位置。此外,還針對(duì)傳統(tǒng)工藝中的頑固性問題提出了一系列優(yōu)化工藝來控制其凝固過程,以期為實(shí)現(xiàn)加工制造少或無缺陷的鎳基高溫合金渦輪葉片提供重要的材料科學(xué)基礎(chǔ)和工程理論的支撐。取得的主要研究結(jié)果如下:揭示了空心渦輪葉片定向凝固全過程中固液界面前沿的溫度梯度分布特征和演化規(guī)律。模擬結(jié)果表明當(dāng)渦輪葉片倒立凝固時(shí),固液界面由葉身進(jìn)入榫頭位置時(shí),界面前沿的溫度梯度由40K/cm突降至11K/cm。此外,固液界面前沿不同位置的溫度梯度也存在很大的差別,特別是在葉片榫頭位置的幾個(gè)尖端處,溫度梯度對(duì)比其他區(qū)域明顯降低。上述模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn),溫度梯度在凝固全程中的突降是形成雀斑、雜晶及縮松等凝固缺陷的主因。建立了預(yù)測大型空心渦輪葉片中雀斑缺陷的形成判據(jù)。從Darcy定律出發(fā)推導(dǎo)出了包含動(dòng)壓力項(xiàng)的雀斑形成判據(jù)。其判距臨界值會(huì)隨著合金種類的不同隨之發(fā)生相應(yīng)變化:結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)在CMSX-4合金中判據(jù)臨界值為0.85。此外,基于雀斑形成判據(jù)預(yù)測發(fā)現(xiàn)空心渦輪葉片在榫頭表面和內(nèi)部陶芯附近區(qū)域的判據(jù)數(shù)值分別為2.8和1.2,表明這兩個(gè)位置比其他區(qū)域更容易形成雀斑缺陷。提出了用行波磁場來減少甚至消除大型燃?xì)廨啓C(jī)空心渦輪葉片中雀斑缺陷的新工藝,并給出了減少(或消除)雀斑的外加電磁場參數(shù)范圍。研究結(jié)果表明,隨著向下方向的行波磁場強(qiáng)度的增加,固液界面前沿的流速呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢,減小甚至消除渦輪葉片中雀斑缺陷的磁場強(qiáng)度臨界范圍是0~150mT。反之,向上方向的行波磁場僅能加劇固液界面前沿的流動(dòng)從而導(dǎo)致雀斑缺陷的增加。抽拉速率和熱區(qū)溫度的提升對(duì)葉片中的溶質(zhì)分布有明顯影響。研究結(jié)果表明,提高定向凝固抽拉速率和熱區(qū)溫度均可以減輕渦輪葉片外部的偏析程度,但是此時(shí)渦輪葉片內(nèi)部陶芯中間區(qū)域的偏析程度會(huì)加劇。鑄件幾何形狀對(duì)固液界面前沿的流動(dòng)模式以及雀斑分布規(guī)律有顯著影響。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)凝固剛進(jìn)行到平臺(tái)位置時(shí),固液界面前沿的軸向流動(dòng)強(qiáng)度突增且溫度梯度大幅降低,這兩個(gè)因素同時(shí)持續(xù)作用會(huì)導(dǎo)致雀斑缺陷的形成。在凝固至末期,固液界面前沿的流動(dòng)模式會(huì)由軸向流動(dòng)向徑向流動(dòng)切換,雀斑缺陷也隨之消失。設(shè)計(jì)了兩種非均勻厚度的模殼,并通過控制模殼厚度比值來實(shí)現(xiàn)對(duì)凝固過程中溫度場的控制。研究表明當(dāng)厚度比為2時(shí),榫頭位置的溫度梯度由7K/cm顯著上升至17K/cm。此外,當(dāng)厚度比為0.5時(shí),空心渦輪葉片的固液界面形狀可以保持平直,并針對(duì)局部模殼過厚不易取出的問題進(jìn)一步提出了一種復(fù)合模殼工藝來控制凝固缺陷。另外還設(shè)計(jì)了一種可多次脫離式隔熱板,其活動(dòng)部分可在鑄件幾何截面發(fā)生突變時(shí)自行脫離,使葉片榫頭處的固液界面前沿軸向溫度梯度獲得顯著提升,為控制定向凝固過程中局部位置形成的雀斑、雜晶等缺陷提供了新的技術(shù)方案。
【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TK473;V232.4;TG132.3

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本文編號(hào)：2760476