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《-一种单晶涡轮叶片凝固过程及晶粒组织的数值模拟(nxpowerlite)》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、2010年12月航空精密制造技术Dec2010第46卷 第6期AVIATIONPRECISIONMANUFACTURINGTECHNOLOGYVol.46No.63一种单晶涡轮叶片凝固过程及晶粒组织的数值模拟刘金龙,石多奇,杨晓光(北京航空航天大学能源与动力工程学院,北京 100191)[摘要] 建立了单晶涡轮叶片的有限元模型,采用有限元方法计算了叶片熔模精密铸造凝固过程的流场、温度场以及应力场。数值模拟结果可以为优化单晶叶片铸造工艺、改善叶片晶粒组织结构、提高叶片强度提供依据。[关键词] 单晶;涡轮叶片;晶粒;数值模拟[中图分类号]V232.4[
2、文献标识码]A[文章编号]1003-5451(2010)06-0021-05SolidificationandGrainNumericalSimulationinaSingleCrystalTurbineBladeLIUJin-long,SHIDuo-qi,YANGXiao-guang.(SchoolofJetPropulsion,BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Beijing100191)[Abstract]Afiniteelementmodel(FEM)wasestablished.F
3、lowfield,temperaturefield,andstressfieldweresimulatedbasedonFEM,andgrainstructurewassimulatedbasedonCAFE(cellularautomatafiniteelement).Thesimulationresultscouldprovideevi2denceforoptimizingcastingprocesses,improvinggrainstructure,andenhancingstrengthofblade.[Keywords]singlecr
4、ystal;turbineblade;grain;numericalsimulation引言晶材料是未来十年的发动机涡轮叶片候选材料。和普通精铸叶片相比,定向凝固叶片的寿命能提高3倍;而为了满足对航空发动机性能不断提高的要求,涡单晶叶片蠕变强度和抗热疲劳能力可提高8倍,抗氧轮叶片的工作温度不断提高,使得叶片材料成为关键化和抗腐蚀能力可提高2.5倍。的问题,目前航空发动机涡轮叶片选用的材料主要是因此单晶涡轮叶片是目前航空发动机研究的热点镍基或钴基的高温合金,而其制造技术经历了从多晶和难点。相比较国外的单晶叶片,我国的单晶叶片一大铸造、定向凝固到单晶的
5、发展历程。定向凝固技术可难点是铸造合格率低,不能得到合格的“晶粒组织”,而消除合金晶粒垂直于主应力轴的晶界,可使涡轮进口晶粒组织又很大程度上影响结构强度,铸造工艺又是影温度提高20-60℃,并使叶片具有更高的强度和抗蠕响晶粒组织的关键因素,因此有必要开展单晶涡轮叶片变性能。单晶涡轮叶片是80年代以来航空发动机的的铸造过程数值模拟,模拟叶片的晶粒组织结构。目前重大技术之一,过去的几十年,相继发展和应用了第一在晶粒尺度下对铸件凝固过程进行模拟在国内外已经[1,2][3]代、第二代和第三代单晶合金,单晶技术使航空发动机开展了一些研究,Rappaz等对Al
6、-Si等合金凝固涡轮叶片的耐温能力比定向凝固叶片又高了90℃,单过程的微观组织形成进行了宏观-微观耦合模拟,偏重[4]于理论预算法;李殿忠利用有限差分法和CA法(元3航空基金资助项目胞自动机法)对K417精铸叶片的微观组织状态进行了·21·©1994-2011ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net一种单晶涡轮叶片凝固过程及晶粒组织的数值模拟[5-8]模拟;刘林等对Al-Cu、Al-Si、K4169等合金的微采用SOLA-V
7、OF法和MAC法,而有限元法是基于观组织演化过程进行了研究。Galerkin方法。本文采用有限元方法模拟了某种单晶叶片熔模精1.2 凝固过程温度场的数值模拟方法密铸造的凝固过程,计算了流场、温度场和铸造应力凝固是一个非常复杂的物理化学过程,是由包括场;然后应用CAF*算法模拟单晶叶片的晶粒组织结热量传输、动量传输、质量传输及相变等一系列过程耦构,概括来讲,是将有限元(FE)计算的温度场结果插合而成的。在一般情况下,若铸件充型时间和整体凝值到元胞自动机(CA)中计算,得到叶片的晶粒结构,固时间相比很短时,常常可以假设铸型是瞬时充满的,计算结果可以为优
8、化叶片铸造工艺提供科学依据。这时只需计算温度场即可。当铸件壁很薄或充型时间和凝固时间相差不多时,必须耦合充型过程流场模拟
