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

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1、（12）先进制备加工技术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卢玉章，申健，张健，楼琅洪（中国科学院金属研究所，沈阳110016）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<001>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，

2、凝固界面平直，晶粒取向偏离<001>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SimulationandexperimentoflargecolumnargrainbladesprocessedbytheassistofliquidmetalcoolingLUYuzhang,ZHANGJian,LOULanghong(InstituteofMetalResearch,ChineseAcademyofSciences,She

3、nyang110016)ABSTRACTDirectionallysolidifiedindustrialgasturbinebladeswerepreparedbyhighgradientliquidmetalcooling(LMC)process.ThegrainstructuresatvariouswithdrawalratesduringLMCprocesshavebeencalculatedwithProCASTsoftware.Themicrostructuresimulationresultsofthedirectionallysolidifiedindustria

4、lgasturbinebladeagreedwiththeexperimentalresults.ThecorrelationbetweentheshapeoftheS/Linterfaceandtheresultinggrainstructurehasbeenclearlydemonstrated.Whenthewithdrawalratewashigh,porositieswereobservedattheplatform.SpuriousgrainsformedatthebottomoftheairfoilsectionduetotheconcaveS/Linterface

5、.Whenthewithdrawalratewaslow,S/Linterfacewasrelativelyflat.Afairlywell-defined<001>texturedeveloped.Theareaofporositiesatplatformapparentlydecreasedandthelocationofdefectmovedoutwardtotheedgeoftheplatform.Nospuriousgrainswerefoundattheairfoilsection.Largecolumnargrainbladeswereobtainedbyoptim

6、izingthe（12）先进制备加工技术parameterofLMCbytheaidofsimulation.KEYWORDSliquidmetalcooling,directionalsolidification,largecolumnargrainblade,simulation0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通信联系人：卢玉章，硕士，E-mail：yzlu@imr.ac.cn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

7、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