单晶高温合金叶片定向凝固过程数值模拟
导读
基于有限元建立了单晶高温合金叶片定向凝固过程的数理模型，对3种不同抽拉速度下的温度场、温度梯度、冷却速率进行了数值模拟研究。计算结果显示，抽拉速度为7.2 mm/min时，叶片糊状区较宽，等温线倾斜程度比3.6 mm/min和4.5 mm/min时更大。随抽拉速度的提高，固-液界面的温度梯度GL 降低，选晶器内螺旋内、外侧温度梯度相差较大。起晶器和选晶器起始段中的冷却速率不受抽拉速度的影响；螺旋后段与叶身随抽拉速度增加，冷却速率增大。并将温度场计算结果与CAFé模块耦合，对形核生长情况进行模拟，研究了抽拉速度对杂晶缺陷形成的影响，结果显示，抽拉速度7.2 mm/min时在缘板边缘处易形成杂晶；抽拉速度为3.6 mm/min和4.8 mm/min时，形成了完整的单晶。
Bridgeman定向凝固法是目前单晶高温合金叶片定向凝固技术中应用最广泛的一种方法，叶片在定向凝固过程中，受到铸造工艺等多种因素的影响，易出现大角度晶界与杂晶等缺陷，因此对其铸造工艺有很高的要求。
凝固工艺参数对合金的微观组织与性能有着重要的影响，抽拉速度是定向凝固过程中一个核心的工艺参数，与合金的晶体生长速率、固-液界面前沿液相温度梯度、枝晶间距、相的形貌分布等密切相关。随着计算机数值模拟技术在铸造领域的广泛应用，利用数值模拟仿真技术，建立单晶高温合金叶片定向凝固过程的数理模型，预测凝固过程，可有效地降低成本，缩短生产时间，为制造工艺改进提供参考。
单晶高温合金涡轮叶片浇注和抽拉过程在Bridgeman真空感应定向凝固炉中进行。图1为单晶叶片的几何形状，每一模组由4片叶片组成，成轴对称分布，采用底注式浇注方式，其有限元分析模型见图2。为提高计算速度，模拟分析时采用1/4实体进行计算，整个模型由铸件、铸型、型芯、水冷铜板、抽拉单元以及炉体组成，利用Pro/E软件建立3D实体模型，采用MeshCAST模块进行网格划分，其中铸件起晶段和选晶段的高度均为10 mm。叶片材料采用我国第二代单晶高温合金DD6。
图1 单晶涡轮叶片3D模型
图2单晶涡轮叶片有限元分析模型
高温合金叶片定向凝固过程中，在叶片、铸型以及叶片-铸型边界，热量主要以热传导的形式进行传递，在铸型与炉壁、水冷铜板之间通过辐射换热。
采用有限元软件Procast对叶片定向凝固过程进行了数值模拟计算，在其他工艺参数相同的条件下，分别计算了抽拉速度为3.6、4.8、7.2 mm/min时，叶片凝固界面的温度场、纵向温度梯度、冷却速率；并将温度场计算结果与CAFé模块耦合，进行微观组织模拟，分析了抽拉速度对叶片缘板处杂晶缺陷的影响。计算时初始条件：设定合金浇注温度、模壳温度和型芯的初始温度均为1 500 ℃，水冷结晶器初始温度为25 ℃。
1 抽拉速度对铸件固-液界面的影响
不同抽拉速度时，固相线与液相线均存在一定程度的倾斜，且叶身右侧高于左侧，这主要由于叶身右侧靠近炉壁一侧，叶片由热区进入冷却区时，靠炉壁较近一侧由于辐射散热较为剧烈，而远离炉壁一侧因遮挡效应冷却速度较慢，进而导致等温线呈倾斜分布。抽拉速度为7.2 mm/min时，等温线倾斜程度更大，辐射散热更剧烈；且叶片糊状区较宽，辐射挡板位置高于凝固界面。而抽拉速度为3.6 mm/min和4.8 mm/min时，固、液相线的波动幅度较小，界面前沿较平稳，固-液界面始终位于挡板位置，叶片固-液共存区总体较窄。
t=2011s t=1541s t=1211s
(a) 3.6 mm/min (b) 4.8 mm/min (c) 7.2 mm/min
图3 不同抽拉速度时叶片糊状区温度场
2抽拉速度对铸件温度梯度的影响
图4为铸件上沿高度方向不同位置示意图。在不同抽拉速度条件下，叶片各点达到1 399 ℃时，叶片沿纵向（z轴方向）不同高度的温度梯度值见表1。
铸件在定向凝固过程中各部分的温度梯度变化范围较大，这主要由于冷却初期，起晶器与水冷铜板之间主要是热传导传热，相对温差大，热量传递剧烈，起晶器底部温度梯度最大，且受抽拉速度的影响不大。随着凝固的进行，热传导的作用逐渐减弱，温度梯度随之降低；随着叶片逐渐进入冷却区，型壳与炉壁之间的辐射散热起主导作用，但总的散热能力减弱，叶片温度梯度降低。
从表1还可以看出，抽拉速度为3.6 mm/min时起晶器和选晶器中的温度梯度比4.8 mm/min、7.2 mm/min时稍大，但相差很小。而在叶身部位，随着抽拉速度的提高，定向凝固固-液界面的温度梯度GL 降低。
（a）选晶器中距起晶器底部不同位置示意图
（b）铸件叶身距起晶器底部不同位置示意图
图4 铸件沿z向不同位置示意图
图5为不同抽拉速度下选晶器螺旋内、外侧的温度梯度。
（a）3.6 mm/min （b）4.8 mm/min （c）7.2 mm/min
图5螺旋选晶器温度梯度变化趋势
3抽拉速度对铸件冷却速率的影响
沿铸件高度方向不同位置冷却速率见表2。
4抽拉速度对叶片杂晶形成的影响
图6为在不同抽拉速度条件下叶片缘板部位在1342℃~1399℃温度范围时的温度场分布图。可以看出，抽拉速度为3.6 mm/min时，缘板固相从左侧叶身延伸而形成，最终充满整个叶片。抽拉速度为7.2 mm/min时，缘板4个尖角处形成了孤立的固相，杂晶易形核。抽拉速度为4.8 mm/min时，尖角虽有一定的孤立区域，但很快被叶身延伸而来消失。
图7为不同抽拉速度下缘板截面处微观组织图。可以看出，当抽拉速度7.2 mm/min时，在缘板边缘形成了新的晶核，即杂晶缺陷。。缘板处的水平截面积远大于叶身，属于截面突变，由于抽拉速度较快，导致缘板处的非均匀温度分布，这是导致缘板四角易产生杂晶的主要原因。
（a）3.6 mm/min （b）4.8 mm/min （c）7.2 mm/min
图6 不同抽拉速率时叶片缘板温度场分布
（a）3.6 mm/min （b）4.8 mm/min
（c）7.2 mm/min （d）7.2 mm/min时三维形貌
图7 不同抽拉速度时缘板截面处微观组织图
5 结论
（1）抽拉速度为7.2 mm/min时，等温线倾斜程度更大，辐射散热更剧烈，叶片糊状区较宽；而抽拉速度为3.6 mm/min和4.8 mm/min时，固、液相线的波动幅度较小，界面前沿较平稳，叶片固-液共存区较窄。
（2）叶片在定向凝固过程中各部分的温度梯度变化范围较大。冷却初期，起晶器与水冷铜板之间主要是热传导传热，热量传递剧烈，起晶器底部温度梯度最大，受抽拉速度的影响不大；随着叶片逐渐进入冷却区，型壳与炉壁之间的辐射散热起主导作用，叶片温度梯度降低，且随着抽拉速度的提高，固-液界面的温度梯度GL 降低。选晶器中温度梯度受到截面积的影响，温度梯度值较大，螺旋内、外侧温度梯度相差较大，且螺旋内侧的温度梯度比外侧大。
（3）冷却初期，由于铸件与水冷铜板之间热传导传热，起晶器中的冷却速率较大，不受抽拉速度的影响；随着铸件逐渐进入冷却区，冷却速率受到抽拉速度的影响明显，抽拉速率越大，铸件冷却速率增大。
（4）抽拉速度影响叶片温度场的分布，以7.2 mm/min抽拉时，缘板处温度分布不均匀，4个尖角处形成了孤立的固相，缘板边缘形成了杂晶； 抽拉速度为3.6 mm/min和4.8 mm/min时，形成了完整的单晶；且基于宏观与微观的计算结果，抽拉速度为3.6 mm/min时，单晶形成效果更佳。
文献引用：周玉辉,黄清民﹐林荣川.单晶高温合金叶片定向凝固过程数值模拟[J].特种铸造及有色合金,2021,41(11)：1 361-1 365.
编辑：江姗
定向凝固镍基铸造高温合金—DZ125
概述
DZ125合金是我国目前性能水平高的定向凝固镍基铸造高温合金，具有良好的中、高温综合性能及优异的热疲劳性能。合金中Ti的含量较低，含有1.5%铪，使合金具有良好的铸造性能，可铸成壁厚小至0.6mm的带有复杂内腔的无余量定向凝固叶片。由于合金中含有始、钽等贵重元素，致使合金成本较高。适合于制作在1000C以下工作的燃气涡轮转子叶片和1050C以下工作的导向叶片以及其他高温零件。
DZ125合金的化学成分
DZ125合金具有良好的中、高温综合性能。在高温下，它的抗氧化性和耐腐蚀性都很强，可以在高达1200℃的温度下工作；在中温下，它的强度和韧性也十分优秀，可以在较低的温度下保持较高的力学性能。此外，DZ125合金还具有良好的热疲劳性能，可以在反复加热和冷却的过程中保持稳定的性能。
DZ125合金的另一个优点是它具有良好的铸造性能。由于合金中含有较低的Ti元素含量和1.5%的铪元素，因此合金具有较好的流动性，可以铸造成壁厚小至0.6mm的带有复杂内腔的无余量定向凝固叶片。这种铸造性能使得DZ125合金成为制造燃气涡轮转子叶片和导向叶片以及其他高温零件的理想材料。
DZ125合金的成本较高，这是由于其中含有始、钽等贵重元素所致。这些元素的含量较高，使得合金的成本也随之提高。因此，在应用DZ125合金时需要权衡其性能和成本之间的平衡。
总之，DZ125合金是我国目前性能水平高的定向凝固镍基铸造高温合金，具有良好的中、高温综合性能及优异的热疲劳性能。适合于制作在1000C以下工作的燃气涡轮转子叶片和1050C以下工作的导向叶片以及其他高温零件。虽然合金的成本较高，但它的优异性能使得它在高温领域中具有广泛的应用前景。
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