毕业论文范文——液态金属冷却法制备大尺寸定向燃机叶片凝固过程的实验与模拟

西安航空职业学院毕业论文液态金属冷却法制备大尺寸定向燃机叶片凝固过程的实验与模拟姓 名： 专 业： 航空电子 班 级： 完成日期： 指导教师: 摘要 利用高温度梯度定向凝固技术-液态金属冷却（LMC）技术制备了大尺寸燃机叶片，采用ProCAST有限元模拟软件计算了LMC定向凝固工艺下，不同抽拉速度下大尺寸定向叶片的晶粒组织，预测了拉速对疏松以及杂晶等缺陷的影响。结果表明：模拟结果与实验结果吻合良好；拉速较高时，凝固界面凹陷，晶粒垂直于凝固界面收敛生长，部分晶粒取向偏离方向角度很大，在缘板部位观察到疏松，叶身靠近缘板部位由于凝固界面曲率增大，出现杂晶等缺陷；拉速较低时，凝固界面平直，晶粒取向偏离方向角度很小，缘板处疏松面积明显减小、位置移向缘板外沿，在叶身靠近缘板处没有出现杂晶。利用该模型优化LMC工艺参数后制得了质量较高的大尺寸燃机叶片。关键词 液态金属冷却，定向凝固，大尺寸燃机叶片，数值模拟0引言随着工业燃气轮机的不断发展，对其关键部件涡轮叶片（图1）的要求也在不断提高1。为了提高涡轮叶片的承温能力，燃气轮机用涡轮叶片广泛使用定向凝固技术制备的定向柱晶 叶片或单晶叶片2。目前国内广泛使用的定向凝固技术是比较成熟的高速凝固法3（HRS），如图2(a)所示。模壳置于水冷结晶器上，并在保温炉中预热到一定温度，在模壳中浇入熔融的金属后，将模壳从保温炉中拉出，形成定向凝固铸件。在HRS法中铸件的热量主要是通过水冷结晶器的热传导和铸件向炉体的辐射散失，随着铸件的不断凝固，通过结晶器散失的热量逐渐减少，一般当铸型高度超过7cm时，模壳的热量主要依靠向真空室壁的辐射散失，因此随铸件长度的增加，HRS设备能达到的温度梯度逐步降低。由于定向凝固过程中，温度梯度是最关键的工艺参数，因此随着温度梯度的降低，铸件中会出现非常多的缺陷4，例如：缩孔、斑点、小角度晶界、断晶、杂晶等。为了保持温度梯度就要降低抽拉速率，而降低抽拉速率会带来其他问题，例如：生产效率降低，钢液与型壳反应加剧，型芯变形等，因此，利用HRS法制备大尺寸的燃机定向叶片的生产成本极高5。近年来国外对液态金属冷却法3（LMC）制备大尺寸定向铸件进行了深入的研究，并且在一些发达国家已经获得了应用。LMC工艺是将熔化的合金浇铸到在保温炉中预热的铸型中，铸型放置在结晶器上，铸型以一定的速度逐渐拉出保温炉的同时拉入低熔点液态金属熔池。传热方式以液态金属的传导以及对流为主，温度梯度和冷却速率远远大于HRS法，铸型尺寸增大时，其温度梯度基本保持不变。与传统的HRS工艺相比，生产效率显著提高，材料的宏观组织在整个长度范围内比较均匀，微观组织偏析小。图1 航空叶片与大功率燃气轮机叶片对比1Fig. 1 Comparison of aero and utility gas turbines 1 (a) (b)图2 (a) HRS和 (b) LMC工艺示意图3，HRS的传热方式主要为辐射传热，LMC主要为传导传热Fig. 2 Schematic of (a) HRS and (b) LMC process 3. Heat transformation relays on conduction (initially) and radiation (later) in HRS process, and conduction in LMC process.国内外关于定向凝固的数值模拟主要集中在HRS工艺方面，针对LMC的数值模拟很少。Kermanpur等人6使用有限元软件ProCAST建立了LMC工艺三维模型，对叶片定向凝固过程中的温度分布进行了计算，并且使用元胞自动机(CAFE)方法对凝固后的晶粒取向进行了预测；Elliott7使用模拟的方法分析了LMC工艺中凝固参数对温度梯度的影响，结果表明铸件与模壳之间的传热系数是LMC工艺最敏感的参数。卢玉章等8模拟计算了LMC工艺下温度场对单晶铸件横截面积突变处杂晶形成的影响。本文采用LMC工艺制备大尺寸定向铸件，利用有限元软件ProCAST模拟计算了该工艺下晶粒组织的演变，预测不同拉速对晶粒缺陷的影响，并与实验结果进行了对比，目的是为优化大尺寸定向LMC工艺参数提供参考和依据。1模拟与实验实验、模拟所用的合金为IN738LC。表1给出了该合金的化学成分，该合金的固相线和液相线温度分别为1213oC和1332oC。表1 定向高温合金IN738LC的化学成分(wt %)9Tab. 1 Composition of directional superalloy IN738LC (wt %) 9CrTaCoWMoAlTiNi15.91.68.13.01.93.43.3Balance模拟所采用的叶片模型及网格剖分结果如图3(a)。考虑到计算温度场的同时需要进行组织模拟，计算时间会大大延长，因此适当采用了较粗的划分网格，这样可以在保证结果准确性的同时缩短计算时间。图3 (b)中节点总数为86651个，单元总数为417597个。 (a) (b)图3 (a)大叶片的三维实体模型以及(b)叶片的三维有限元网格Fig. 3 (a) the 3-D schematic representation and (b) the 3-D enmeshment of the blade大尺寸定向叶片晶粒组织模拟采用Rappaz等10提出的连续形核模型以及枝晶尖端生长动力学模型，各分布参数的值如表2所示。合金凝固过程中各节点所在区域温度场的计算和晶粒组织特征值的计算采用完全耦合的方式。表2 晶粒组织模拟使用的形核和生长动力学参数Tab. 2 Nucleation and growth kinetics parameters used for grain structure simulationDTm /KDTs /Knmax /m-2a2 /(ms-1k-2)a3 /(ms-1k-3)Surface nucleation0.50.11.0e66.577e-77.842e-7Volume nucleation7.01.02.5e8利用课题组自行研制的10kg LMC设备进行大尺寸叶片的制备，使用液态锡作为低熔点冷却介质。实验采用6mm/min, 9mm/min, 12mm/min三个拉速。2模拟与实验结果大尺寸燃机叶片晶粒组织的模拟与实验结果如图4、5所示，图中不同的颜色代表不同的晶粒取向，阿拉伯数字代表该取向偏离方向的角度。模拟与实验结果均表明拉速为6mm/min时，晶粒尺寸比较均匀，晶粒取向偏离方向角度很小；拉速为9mm/min、12mm/min时，榫头和叶身处的晶粒均出现收敛生长的现象，在叶片的叶身部位晶粒尺寸不均匀，个别晶粒尺寸很大，并且叶身下部出现多处杂晶。拉速为6mm/min的叶片质量优于拉速为12mm/min的叶片。(a) (b) (c)图4不同拉速下大尺寸叶片晶粒组织的模拟图Fig. 4 Simulated grain structures of large blades, at (a) 6mm/min, (b) 9mm/min and (c) 12mm/min杂晶 (a) (b) (c)图5 不同拉速下实验铸件的宏观晶粒组织Fig. 5 Grain structures of blades at the withdrawal rates of (a) 6mm/min, (b) 12mm/min and (c) the equiaxed grains at the bottom at 12mm/min拉速为12mm/min时，榫头纵向晶粒分布的模拟结果与实际叶片的对比如图6所示。模拟与实测结果均表明由于榫头尺寸较大，在该拉速下榫头晶粒呈现明显的收敛生长状态。 (a) (b)图6 拉速为12mm/min时，榫头纵向晶粒分布的实验结果(a)与模拟结果(b)的对比Fig. 6 Comparison of (a) the experimental and (b) modeled results for grain distribution at the longitudinal section of the root at the withdrawal rate of 12mm/min由计算结果可知，拉速为6mm/min，9mm/min，12mm/min时，在叶片的缘板处均可能出现不同程度的疏松，如图7所示。不同颜色代表疏松的程度，即空隙所占的比率。在实际生产的叶片缘板处也观察到了疏松缺陷，拉速为6mm/min，12mm/min时叶片缘板处的疏松如图8所示，拉速为6mm/min时，疏松区距叶片缘板外沿约25mm；拉速为12mm/min时，疏松区距叶片缘板外沿约45mm。随着拉速的增加，疏松位置内移、所占区域扩大，空隙所占比率不断增大。疏松的位置与程度均与模拟结果符合较好。(a) (b) (c)图7 不同拉速下缘板处疏松的预测Fig. 7 Porosity predictions for the platform at (a) 6mm/min, (b) 9mm/min and (c) 12mm/minA (a) (b)B (a) (b)图8不同拉速下，实验叶片缘板处的疏松以及缩孔的形貌Fig. 8 porosities at the platform of the blades at 6mm/min (a) and (c) 12mm/min, the morphology of the porosities at area A (b) and area B (d)通过以上模拟与实验的对比可以看出，该模型可以有效地预测大尺寸定向叶片的晶粒组织以及缩孔缺陷，利用该模型优化LMC定向凝固参数后制备的大尺寸叶片如图9所示，可以看出晶粒尺寸比较均匀，晶粒取向偏离方向角度较小，叶片质量很高。 图9 通过数值模拟优化LMC工艺参数后制备的大尺寸叶片Fig. 9 The large blade obtained after optimizing the parameters through simulation 3讨论定向叶片晶粒组织的分布情况主要与凝固界面形状有关，拉速为6mm/min，9mm/min，12mm/min时，大尺寸叶片叶身部位的凝固界面形状如图10所示。拉速较低时，凝固界面比较平直，平直的凝固界面有利于柱晶的平直生长，提高铸件的质量。随着拉速的增加，凝固界面曲率增大，将导致柱状晶垂直于固液界面收敛生长，因而出现了如图4(b)、(c)所示的晶粒分布状态。Elliot11、Li12等人的研究结果也得出同样的规律。拉速较高时，由于定向凝固过程中叶身底部的固液界面曲率很大，糊状区宽度增加，导致杂晶的出现，如图5(c)。Rappaz等人13的研究也表明凹陷的固液界面会促进杂晶的出现。 (a) (b) (c)图10 不同拉速下叶片固液界面的形状Fig. 10 Shapes of the solidification interfaces at (a) 6mm/min, (b) 9mm/min and (c) 12mm/min 由于榫头厚度不均匀，各部位尺寸差别特别大，凝固先后顺序不同，即使在定向凝固的条件下也可能出现补缩不足，产生疏松等缺陷。拉速较低时，缘板处冷却速率降低，温度分布均匀，缘板与叶片的凝固界面几乎处于同一水平面上，补缩通道相对顺畅，被堵塞的时间滞后，最后凝固的区域靠近缘板的外侧；拉速高时，固液界面曲率增大，缘板以及叶片两端先凝固，未凝固区被封闭在缘板中间，随着凝固的进行，补缩通道提前被堵塞，最后凝固的区域向缘板内部移动。4结论使用ProCAST有限元模拟软件包可以对高温度梯度液态金属冷却技术制备大尺寸燃机叶片的凝固过程进行比较准确的模拟，是优化定向工艺参数的有效手段。模拟和实验结果均表明，拉速为6mm/min时，凝固界面比较平直，晶粒组织分布均匀；随着拉速的增加，凝固界面曲率变大，晶粒收敛生长；拉速为12mm/min时，叶身底部靠近缘板位置固液界面弯曲尤其严重，糊状区宽度增加，出现多处杂晶。由于缘板尺寸比较大，厚度不均匀，在缘板处出现疏松缺陷；随着拉速的降低，缩孔尺寸和疏松区面积减小。采用本章的数值模拟模型优化LMC工艺参数后得到了质量很高的大尺寸定向叶片。参考文献 1 KONTER M, THUMANN M. 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