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

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1、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<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

2、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<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]（H

3、RS），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

4、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，

5、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[1]Fig.1Comparisonofaeroandutilitygasturbines[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.2Schematicof(a)HRSand(b)LMCprocess[3].Heattransformationrelaysonconduction(in

6、itially)andradiation(later)inHRSprocess,andconductioninLMCprocess.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；Elliott[7]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

7、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%)[9]Tab.1Compositionofd

8、irectionalsuperalloyIN738LC(wt%)[9]CrTaCoWMoAlTiNi15.91.68.13.01.93.43.3Balance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