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(High Rate Solidification)以及 LMC(Liquid Metal Cooling )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 0.32.00 /s，远高于 H
2、RS工艺下的冷却速率（0.050.16 /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
3、凝固技术制备的定向柱晶叶片或单晶叶片 2。与航空叶片相比，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
4、来生产效率降低、钢液与型壳反应加剧、型芯变形等问题，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
5、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。(a) (b)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. 1 Schematic of (a) HRS and (b) LMC process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
6、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、
7、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Sn。采用抗热腐蚀高温合金DZ411制备燃机叶片，合金的名义成分（质量分
8、数，%）为：Cr 15,Ta 4, Co 11, W 3, Mo 2, Al 4, Ti 5, Ni余量。合金的固相线和液相线温度分别为1218和1319 。本实验所制备的叶片为重型燃气轮机用大型定向结晶空心叶片，叶片毛坯长约500 mm，重约20 kg，内部具有复杂的气体冷却通道，叶片形状复杂，各部位尺寸差异较大，这些都是叶片制备的难点。大型定向结晶空心叶片制备完成后，经过切割、脱除型芯后，进行宏观腐蚀观察宏观晶粒组织。利用线切割自叶尖按10，30，60 ，100，160，200，240，300和360mm切割横截面，金相腐蚀后采用Axio Vert. A1型号金相显微镜(OM)观察枝晶组织
9、，按照下式统计一次枝晶间距1： 1= (1) 1/2式中，n p为单位面积内的枝晶数目。晶粒平均直径D由下式计算： D= (2) 2(/)1/2式中，s为晶粒的平均面积。1.2 模拟方法模拟计算使用ProCAST商业软件，利用文献 18-19中的边界条件。模拟所用的工艺条件如表1所示。(a) (b)表 1 计算所用的工艺参数Table 1 Process parameters used in simulationParameter Units ValueAlloy DZ411HRS withdrawal rate mm/min 1、3、5LMC withdrawal rate mm/min 3
10、、5 、7 、10 、12Mold-heater temperature 1440、1480 、1520Floating baffle thickness mm 25分别计算HRS和LMC工艺下不同凝固参数时，固液界面的形状、纵向温度梯度、冷却速率，通过对比以上参数优化定向凝固工艺后，计算了一次枝晶间距 1以及晶粒组织，并与实际叶片进行了对比。一次枝晶间距的计算方法按照Hunt 20以及 Kurz和Fisher 21提出的计算模型：1= (3)11/21/4式中，A 1是与材料有关的常数，G为纵向温度梯度，V 为凝固速率。实际凝固过程中，凝固速率并不等于抽拉速率，因此均采用实际凝固速率而非抽拉
11、速率。2、结果与讨论2.1拉速对重型燃机叶片凝固过程的影响2.1.1 拉速对固/液界面形状的影响HRS工艺下，其他工艺参数固定，抽拉速率不同时，叶片凝固过程固/液(solid/liquid, S/L)界面形状以及其与固定挡板的位置关系如图2所示。当拉速为3mm/min时，距叶片起晶段110mm处的凝固界面较为平直，位于隔热挡板附近，随着凝固的进行，当凝固界面到达180mm时，凝固界面逐渐下移，曲率增加，糊状区宽度增大，尤其是在叶片的延伸段，此处壁厚最大约为40mm，凝固界面位于隔热挡板以下5cm处，糊状区宽度约为3.8cm。拉速增加到5mm/min时，叶片相同位置的固/液界面曲率更大，位置下移
12、，在叶片的延伸段，凝固界面位于隔热挡板以下8cm处，糊状区宽度约为5cm。 (a) a1 a2 a3 a4Fixed baffle图 2 HRS 工艺下，不同抽拉速率时固 /液界面的形态Fig. 2 Solid/liquid interface shapes at 110mm (a1, b1), 180mm (a2, b2), 240mm (a3, b3) and 280mm (a4, b4) from the starter with different withdrawal velocities (a) 3mm/min, (b) 5mm/min LMC工艺下，不同抽拉速率时，叶片相同位置固
13、/液界面的形状以及其与Sn液面的位置关系如图3所示。b1 b2 b3 b4(b)图 3-3 LMC 工艺下，不同抽拉速率时固 /液界面的形态Fig. 3 Solid/liquids interface shapes at 110mm (a1, b1, c1), 180mm (a2, b2, c2), 240mm (a3, b3, c3) and 280mm (a4, b4, c4) from the starter with different withdrawal velocities (a) 5mm/min，(b) 10mm/min and (c)12mm/min for LMC可以看出，
14、整个拉速范围内，LMC工艺下的糊状区宽度明显小于HRS工艺的糊状区宽度。抽拉速率为5mm/min时，叶身形状尺寸对凝固界面的影响很小,在叶片的叶身以及延伸段处，固/液界面都比较平直（图3a） ，但是低的拉速导致叶片凝固时间增加（150min） ，对型壳以及陶瓷型芯的强度产生不利影响。随着抽拉速率的升高(10mm/min)，凝固界面逐渐下移（相对Sn液面位置） ，曲率逐渐增加，尤其是延伸段的固/液界面形状弯曲更加明显（图3b） 。抽拉速率为12mm/min时，叶片整个凝固过程中，固/液界面弯曲严重，会导致晶粒组织收敛生长，晶粒的择优取向偏离抽拉方向角度很大，并且固/液界面形状受叶身形状的影响很大
15、，叶片尾缘处壁厚很小，凝固界面相对Sn液面位置最高；叶身壁厚最大处（叶形曲率最大处） ，凝固界面相对Sn液面位置最低（图3c） 。由文献109可知，弯曲的凝固界面会导致晶粒的收敛生长，导致晶粒取向偏离叶片生长方向。图4为不同固/液界面形状对晶粒组织的影响，可以看出晶粒的生长方向垂直于固/液界面：当固/液界面呈凸面状时，晶粒垂直于固/液界面发散生长，当固/液界面呈凹面状时，晶粒垂直于固/液界面收敛生长；平直的固/液界面，有利于提高定向柱晶的质量。由前述模拟结果可知，HRS工艺下拉速为3mm/min时，叶片的叶身部位固/液界面相对平直。为获得合格的晶粒组织，在厚大的延伸段部位要想获得平直的固/液界
16、面必须降低拉速，但是当抽拉速率为1mm/min时，整个叶片的凝固时间为450min，这将增加陶瓷型芯蠕变变形、断裂，熔融合金液与型壳、型芯发生反应的几率。(a) (b) (c) (d)(g)(l)图 4 定向柱晶形态与固液界面的关系 109Fig. 4 Schematic illustration of the interface curvature and the resulted morphology of the columnar grains109LMC工艺下当拉速为10mm/min时，叶身的固/液界面已经相对平直，因而可以显著地缩短叶片凝固时间，有利于减小陶瓷型芯和型壳的变形以及开裂
17、，减小铸件的成分偏析。文献76报道的结果与我们的计算模拟结果相似：利用HRS工艺制备长750mm的燃机叶片，抽拉速率为0.852.5mm/min时，凝固过程需要515h，而利用LMC工艺制备该燃机叶片时，抽拉速率可以提高到6.8mm/min，凝固时间2h。2.1.2 拉速对冷却速率的影响HRS工艺下，在距离叶片起晶段110mm，180mm，240mm，280mm横截面叶片中心位置，不同拉速时的冷却速率如图5所示。当拉速恒定时，随着高度的增加，冷却速率不断下降；不同抽拉速率时，冷却速率随着抽拉速率的增加而不断增大，但是抽拉速率的增加，会使糊状区宽度增加，纵向温度梯度减小，固/液界面的曲率增加，不
18、利于定向组织的生长。整个拉速范围内叶片的冷却速率都很低，最大约为0.16/s，比文献105报道的HRS工艺下相同尺寸铸件的冷却速率（0.050.10 /s）稍高。研究表明冷却速率的大小与大尺寸铸件的雀斑缺陷密切相关，高的冷却速率有利于消除雀斑缺陷110。图 5 HRS 工艺下抽拉速率对叶片冷却速率的影响Fig.5 Effects of withdrawal rates on the cooling rate of blade由于LMC工艺采用了液态金属锡作为冷却介质，定向凝固过程中铸件的热量始终依靠液态金属锡的热传导被带走。通过对不同抽拉速率下大型定向叶片的冷却速率进行模拟发现（见图6） ，随
19、着抽拉速率的降低，冷却速率降低。在整个抽拉速率范围内，LMC工艺下的冷却速率为0.32.00 /s，在叶片前缘、尾缘由于壁厚较小，因而获得了更高的冷却速率。1020146018202042608300.0.50.10.150.2 Coling rate /(/s)Positn /m1m/in3 5/i图 6 LMC 工艺下，抽拉速率对冷却速率的影响Fig.6 Effects of withdrawal rates of 3mm/min (a),7mm/min (b) and 10mm/min (c)on cooling rate via LMC2.1.3 拉速对缘板杂晶的影响重燃叶片在缘板处存
20、在很大的横截面积突变，计算发现在重燃叶片缘板横截面突变处极易产生杂晶的形核、长大。LMC工艺下，当抽拉速率为10mm/min时，在横截面积突变处，固/液界面严重弯曲，纵向温度梯度降低，横向温度梯度增加。弯曲的凝固界面导致缘板周围的过冷度增加，当过冷度大于临界形核过冷度时，在叶片缘板处产生大量的新晶粒形核，新晶粒的取向与叶片生长方向偏离度很大，在后续的凝固过程中，取向偏离大的晶粒逐渐长大，甚至阻碍了原始晶粒的生长。随着抽拉速率的降低(5mm/min)，横截面积突变处固/液界面逐渐平直，横向温度梯度减小，新晶粒形核的数量逐渐减少，在后续的生长过程中未阻碍原始晶粒向上生长，如图7所示。图 7 不同抽
21、拉速率下叶片晶粒组织形貌(a) (b)(c) (d)Fig.7 Simulated macrostructures of blade at withdrawal velocities of (a, b) 5mm/min and (c, d) 10mm/min with new nucleation formation (a, c) and original grain unblocked (b) and blocked (d) by stray grains图 8 HRS 工艺下，拉速为 3mm/min 时的晶粒组织形貌Fig.8 Simulated macrostructures of bl
22、ade at withdrawal velocity of 3mm/min, original grain was blocked by stray grains via HRS对HRS工艺来说，当拉速为3mm/min时，在缘板处也产生了大量的杂晶，并且阻碍了原始定向组织的生长，如图8所示。因此应当采用更低的抽拉速率来避免杂晶缺陷，但是过低的抽拉速率会导致冷却速率显著降低，容易产生雀斑缺陷。另外凝固时间的增加会导致组织的不均匀性加剧，给后续热处理带来困难。2.2保温炉温度对重型燃机叶片凝固过程的影响图9为HRS以及LMC 工艺下保温炉温度对叶身1/2高度处固/液界面形态的影响，可以看出HRS工
23、艺下(v=3mm/min)固/液界面宽度受保温炉温度的影响很大，随着保温炉温度的升高糊状区宽度减小，有利于提高铸件的温度梯度，但是固/液界面位置不断下降。当保温炉温度为1520时，对于该尺寸的燃机叶片来说，固液界面已经全部位于隔热挡板以下。固/液界面的形状受保温炉温度的影响很小，当保温温度从1440升高到1520时，固液界面形状基本没有变化。LMC工艺下(V=5mm/min)，固/液界面随保温炉变化的规律与HRS类似，但是在保温炉温度从1440变化到1520时，固/液界面宽度都远小于HRS工艺下固/液界面的宽度，因而可以获得更高的温度梯度，且固液界面全部位于Sn液面上方, 固/液界面的形状受保
24、温炉温度的影响很小。这与文献24中得出的保温炉温度对凝固过程的影响结论一致。Stray grainOriginal grain(a) a1 a2 a3Fixed baffle图 9 (a) HRS 工艺下，保温炉温度为(a 1)1440，(a 2)1480和(a 3)1520时，固液界面的形状，(b) LMC 工艺下，保温炉温度为(b 1)1440，(b 2)1480和(b 3)1520时，固液界面的形状Fig. 9 Solid/liquid interface shapes for (a) HRS at heat temperature (a1)1440，(a 2)1480and (a3)1
25、520, for (b) LMC at heat temperature (b1)1440，(b 2)1480 and (b3)1520计算的LMC和HRS工艺下保温炉温度对叶片榫头厚大部位冷却速率的影响如表2所示，可以看出随着保温炉温度的降低，叶片的冷却速率降低，保温炉温度为1440时，LMC工艺下叶片的冷却速率仍然可以达到0.53/s，而相同保温炉温度时，HRS工艺下叶片的冷却速率仅为0.07/s。表 2 保温炉温度对冷却速率的影响Table 3-2 Effect of heat temperature on the cooling rateHeat temperature 1440 14
26、80 1520LMC 0.53 0.63 0.7Cooling rate( /s) HRS 0.07 0.09 0.102.3 模拟与实验结果对比2.3.1 重型燃机定向结晶叶片凝固组织对比工艺优化后，重型燃机叶片晶粒组织模拟结果以及实验制备的叶片如图10(a)、(b)所示。可以看出，模拟结果与实验结果吻合良好。而且随着凝固的进行，晶粒之间竞争生长，偏离叶片生长方向角度大的晶粒逐渐被淘汰，晶粒的宽度也逐渐增加。利用LMC工艺制备的燃机叶片晶粒宽度与HRS工艺制备的典型重燃叶片尺寸相当111（图10c） ，叶片定向柱晶组织生长平直，晶粒尺寸均匀。叶片的叶尖位置平均晶粒宽度为5mm，随着凝固的进行，晶粒的宽度逐渐增加，叶片延伸段的平均晶粒宽度约为18mm左右。(b) b1 b2 b3Liquid Sn surface
