镍基单晶叶片定向凝固过程模拟与组织控制研究

作     者：矫日伟 

作者单位：江苏大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵玉涛

授予年度：2017年

学科分类：07[理学] 082502[工学-航空宇航推进理论与工程] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0703[理学-化学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 0702[理学-物理学] 

主      题：单晶叶片 定向凝固 计算机模拟 温度场 组织模拟与控制 

摘      要：单晶叶片是航空用发动机涡轮承受高温和复杂应力的关键部件,目前单晶叶片的实际制备中主要采用定向凝固法。单晶组织的生长对定向凝固工艺要求苛刻,工艺参数是单晶叶片定向凝固过程中的温度场分布的主要影响因素,温度场的改变会进一步导致糊状区的形态、固液前沿温度梯度发生变化,从而对单晶组织的生长产生影响。计算机数值模拟技术将定向凝固变成“可视化的过程,即不同工艺参数下温度场及糊状区的分布都可以通过模拟结果直观描述出来,计算机模拟为单晶定向凝固提供了便捷、准确的研究手段。本文采用计算机模拟结合定向凝固实验,对单晶叶片定向凝固过程及组织控制进行研究,其中温度场的研究包括对定向凝固过程基本散热规律的研究、工艺参数对叶片温度场的影响;组织模拟及实验研究包括选晶器的选晶行为研究、变截面杂晶缺陷形成规律的研究;最后基于模拟结果对单晶空心叶片提出组织控制优化方案。论文的主要内容和重要结论如下:通过棒状试样对定向凝固温度场分布基本规律进行了模拟研究,结果表明隔热挡板上方的加热区,近炉壁侧散热比近炉中心侧慢,试棒等温线呈内高外低的倾斜分布。挡板下方的冷却区,近炉壁侧散热较快,试棒等温线呈内低外高的倾斜分布。研究了工艺参数抽拉速度和叶片位相对单晶实心叶片温度场的影响。结果表明,在糊状区上方,叶片的叶背朝向炉壁时等温线呈下凹趋势,叶片的叶盆朝向炉壁时等温线呈上凸趋势,叶片边缘朝向炉壁时等温线呈炉壁侧低炉中心高的倾斜分布。除此之外,在糊状区上方随着抽拉速度增大,等温线上凹程度减小。糊状区上方区域内叶片的温度梯度减小。对单晶空心叶片的温度场进行了模拟研究。研究表明,单晶空心叶片中的型芯在定向凝固中会对叶片产生保温作用,这种保温作用不仅使单晶空心叶片与单晶实心叶片温度场分布规律不同而且使单晶空心叶片不同结构处的温度场分布也不同。对选晶器的选晶过程进行了模拟和实验研究。研究发现,引晶段的主要作用是优化晶粒取向,即淘汰取向角度较大的晶粒,使取向角度较小的晶粒继续生长;为了使引晶段能够有效的优化晶粒取向,引晶段的高度应达到晶粒数量的稳定区;选晶段并不能优化晶粒的最终取向,其作用是为多个晶粒生长提供平台并最终形成单晶。螺旋段的螺旋结构能够有效的使多个晶粒最终生长为单晶,且同一水平面上靠近螺旋结构前沿的晶粒最终会生长为单晶。对变截面试样的定向凝固过程进行模拟及实验研究。研究发现,变截面处于过冷状态是变截面产生杂晶的主要原因,但单纯的处于过冷状态不能使变截面产生杂晶,变截面的下沿在主枝晶的二次枝晶生长至变截面之前达到临界形核过冷度时,才会产生杂晶;随着水平高度的增加,散热效率降低,变截面的过冷度也在逐渐减小,因而杂晶的大小随着水平面高度的增大而减小直至消失。计算机模拟结果表明对单晶空心叶片的不同结构处适合单晶生长的抽拉速度不同,对叶片排气边以下部分、叶片排气边部分和缘板以上部分采用三种不同的抽拉速度进行定向凝固,实验结果表明采用变速抽拉技术能够有效提高单晶空叶片的质量,避免杂晶缺陷的产生。