毕业论文范文——两种不同工艺制备重型燃机定向结晶空心叶片凝固过程的实验与模拟

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1、西安航空职业学院毕业论文两种不同工艺制备重型燃机定向结晶空心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：采用ProCAST软件系统研究了HRS(HighRateSolidification)以及LMC(LiquidMetalCooling)工艺下，不同工艺参数对重型燃机定向结晶空心高压涡轮叶片凝固过程的影响。结果表明：与HRS工艺相比，LMC工艺下叶片的糊状区宽度更小，固/液界面形状更加平直。LMC工艺下叶片的纵向温度梯度约为HRS工艺下的3倍；利用LMC工艺制备该燃机叶片时冷却速率为0.3~2.00℃/s，远高于HRS工艺下的冷却速率（0.05~0.16℃/

2、s）；为避免缘板处杂晶对原始单晶的阻碍，HRS工艺应当采用更低的抽拉速率；LMC工艺下，采用低的保温炉温度也可以使叶片获得高的温度梯度以及冷却速率。实验与模拟结果均表明：与HRS工艺相比，利用LMC工艺制备的燃机叶片，枝晶组织细小，并且消除了雀斑缺陷。关键词：定向凝固；工艺优化；数值模拟燃气轮机是现代清洁能源的关键装备，发达国家对发展重型燃气轮机极为重视，在核心技术领域处于垄断地位，对我国实行严格的技术封锁和价格垄断，因而自主研发先进重型燃气轮机具有紧迫的现实意义和重要的战略意义[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]。与航空

3、叶片相比，燃机叶片尺寸、重量巨大，易产生铸造缺陷，制备难度极高。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(HRS)[3-5]。模壳放置在水冷铜盘上，并在保温炉中进行预热，将熔融的高温合金液浇入型壳后，将型壳从保温炉中拉出，形成定向凝固铸件。这种工艺，凝固前期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，凝固界面前沿的温度梯度降低。当铸件尺寸较大时，容易出现缩孔、雀斑、小角度晶界、断晶、杂晶等缺陷[6-9]。为控制上述缺陷，大型叶片定向凝固的抽拉速率一般被控制在很低的水平，但这会带来生产效率降低、钢液与型壳反应加剧、型芯变形

4、等问题，因此，利用HRS法制备大尺寸的燃机定向叶片面临很大挑战[10]。近年来国外对液态金属冷却法（LMC）制备定向以及单晶铸件进行了深入的研究，俄罗斯以及欧美的一些发达国家已经获得了工程应用。先进的LMC工艺引入了低熔点液态金属作为冷却介质，在铸型抽拉出保温炉的同时，拉入低熔点液态金属熔池中如图1(b)。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，铸件尺寸增大时，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[4]。这两种工艺影响凝固过程的因素非常多，对LMC工艺来说，凝固参数之间的交互作

5、用更加复杂，传统的试错法优化铸件定向凝固工艺周期长、成本高，而利用数值模拟可以明显缩短试验周期、降低实验成本。(b)(a)图1两种定向凝固工艺（a）高速凝固法（b）液态金属冷却法Fig.1Schematicof(a)HRSand(b)LMCprocess由于HRS工艺发展较早，国内外对于HRS工艺的数值模拟工作开展得比较多。近年来，国外针对LMC工艺也逐步进行了大量的研究工作。Elliot等采用商用的软件ProCAST，模拟了简单铸件凝固过程的温度场，并与HRS工艺做了对比，结果表明抽拉速率是影响定向凝固过程的主要因素。Kermanpur等人[7]使用有限元软件ProCAST建立了三维模型，对

6、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方法对凝固后的晶粒取向进行了预测；Elliott[8]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；Miller的研究[9]还表明LMC工艺制备单晶铸件时可以采用更高的抽拉速率，因而可以获得更细的树枝晶组织，但是过大抽拉速率会导致树枝晶的横向生长；卢玉章等[10]研究了LMC工艺下单晶试棒以及单晶模拟件凝固过程各种凝固参数，结果表明纵向温度梯度、温度梯度角、凝固界面位置是评价定向凝固参数优劣的有效手段。唐宁等[11]研究了不同工艺下不同拉速对单晶叶片凝固杂晶以及二次枝

7、晶的影响。但是针对大尺寸燃机叶片的数值模拟工作未见报道。因此，本工作利用有限元软件ProCAST模拟计算了HRS、LMC工艺下大尺寸定向结晶空心叶片凝固过程的温度场，预测了抽拉速率、保温炉温度对叶片凝固过程的影响，并对模拟与实验结果进行了对比，成功制备出重型燃机用大尺寸定向空心叶片。1实验与模拟方法1.1实验方法实验设备为金属研究所自主研制的可工程化的大型液态金属冷却定向凝固设备，低熔点冷却介质为