镍基高温合金叶片定向凝固过程宏微观数值模拟研究进展

随着航空工业的发展,对发动机特别是涡轮叶片的性能要求也越来越苛刻。目前涡轮叶片的组织主要为柱状晶或单晶,采用定向凝固技术制造。由于合金元素种类繁多、叶片形状和内腔复杂,在制造过程中叶片容易产生各种铸造缺陷,如杂晶、大/小角晶界、雀斑等,导致叶片合格率低、研发周期长、制造成本高。数值模拟技术作为一种低能耗、高效率、短周期的研究方法,能有效预测缺陷产生,优化涡轮叶片定向凝固工艺,提高成品率。介绍了高温合金涡轮叶片定向凝固模拟的物理数学模型,总结了国内外航发叶片成形过程中数值模拟技术的研究进展,并对其发展方向进行了展望。

浇注工艺对Ni_(3)Al基高温合金组织和性能的影响研究

Ni_(3)Al基高温合金常应用于航空发动机尾喷管调节片,服役环境恶劣。在成形过程中,浇注工艺会影响Ni_(3)Al基高温合金铸件的宏观和微观组织,进而影响合金的性能。研究了不同浇注温度和造型方式对合金组织和性能的影响,结果表明,随着浇注温度的升高,合金的晶粒度和持久性能随之增加;填砂浇注工艺下铸件的一次枝晶和二次枝晶臂间距大于单壳浇注工艺,其共晶含量小于单壳浇注工艺。通过进一步测试发现填砂浇注工艺下试棒的拉伸性能和持久性能优于单壳浇注。

镍基单晶高温合金γ′相筏化组织三维相场模拟研究

针对镍基单晶高温合金的γ′相组织的筏化过程,建立了三维弹塑性多元多相场模型。该模型中包含多种元素组分的成分信息,并对γ′相的4种等效有序状态进行了区分。通过该模型实现了对CMSX-4合金在单轴压缩条件下的γ′相筏化组织演变的三维模拟,模拟结果与已有研究一致。分析了筏化过程中的元素成分分布和力学分布信息。模拟结果表明,外载条件对不同元素的扩散情况产生了影响,塑性应变的分布则影响了弹性驱动力的分布情况,在共同作用下,γ′相形成了筏化组织。

基于华铸CAE铝合金铸造充型氧化夹杂数值模拟

将氧化膜抽象成无质量的粒子,并通过拉格朗日方程预测模拟氧化膜的运动规律。使用氧化膜体积当量表征氧化夹杂程度,根据Campbell经验数据提出氧化膜厚度增长经验公式。基于以上算法,在华铸CAE软件平台上建立了预测氧化夹杂位置和体积大小的数值模拟方法。并将计算结果与试验结果进行对比,验证了算法的实用性。

镍基单晶高温合金定向凝固微观组织模拟及试验验证

针对定向凝固过程,建立了镍基单晶高温合金宏观温度场计算模型和微观组织相场计算模型。模拟了定向凝固过程中高温合金单晶试棒的温度场变化,并基于温度场结果进一步模拟了微观组织生长情况。将模拟结果与试验结果进行对比,二者较为一致,验证了计算模型的准确性。结果表明,定向凝固单晶试棒不同区域的枝晶形貌有较显著差异,冷却速度较快的区域一次枝晶臂间距较小;冷却速度较慢的区域枝晶粗大,具有发达的一次枝晶臂和二次枝晶臂,且一次枝晶臂间距较大。