液态金属冷却法制备工业燃气轮机涡轮叶片的研究进展

发电用工业燃气轮机涡轮叶片与航空发动机用叶片相比,在尺寸、运行环境及制备工艺方面都有很大的差异。文章介绍了用定向凝固技术中液态金属冷却(LMC)法,制备工业燃气轮机涡轮叶片的工艺及工艺参数、模拟技术方面的研究进展。

低镍奥氏体不锈钢定向凝固组织CAFE法模拟

通过对ProCAST&CAFE软件进行二次开发建立凝固过程动态边界条件,模拟低镍奥氏体不锈钢定向凝固过程中的温度场和固相分数,并探讨抽拉速率对凝固微观组织的影响。结果表明,随着抽拉速率的增大,等温线变密,糊状区变窄;铸件一次枝晶臂逐渐细化,边缘侧向散热逐渐远小于中心纵向散热造成一次枝晶轴向偏差度逐渐减小,晶粒择优取向效果提高。与此同时,模拟结果与实验结果吻合较好,模拟计算形核、生长及取向过程较为合理。

定向凝固技术的发展

定向凝固技术是制备具有单一取向要求的凝固组织的重要方法。回顾了传统定向凝固技术的发展历程,指出了其存在的弊端,概述了国内新型定向凝固技术的发展。

定向凝固技术的若干进展

定向凝固技术可使材料凝固组织按特定方向排列,获得定向及单晶组织结构,大大改善材料的力学和物理性能。简要地回顾了传统定向凝固技术的发展,指出了其存在温度梯度低的弊端。评述了几种新发展起来的新型定向凝固技术,并对其存在问题及发展趋势进行了讨论。指出电磁约束成形定向凝固技术集金属材料的加热熔化、无接触约束成形及组织定向凝固于一体,特别适合于高熔点、易氧化、高活性的特种合金坯件的无污染制备。

两种典型Al-Cu及Ni-NbC共晶合金的定向凝固组织演化

利用垂直Bridgman法结合液态金属冷却法在恒定的液相温度梯度,凝固速率由2μm/s到490μm/s之间对Al-40%Cu合金进行定向凝固实验,凝固速率由5μm/s到100μm/s之间对Ni-11%NbC合金定向凝固。结果表明:Al-38%Cu合金定向凝固下的组织为耦合的片层共晶和少量的领先相的混合结构,随着凝固速率的逐步提高,共晶界面形态由平界面向胞界面转化,且领先相为非小晶面方式生长。Ni-11%NbC合金定向凝固下的组织为全耦合生长的棒状共晶,当凝固速率有一定幅度的提高时,平界面将会失稳。且初生相为典型的小平面生长方式。采用成分过冷理论计算这两种合金系的临界平界面速度,理论和实验较为符合。

定向凝固Al-40%Cu共晶合金的组织特性

利用垂直Bridgman法结合液态金属冷却法在恒定的液相温度梯度(GL=250 K/cm),凝固速率由2μm/s到490μm/s之间对Al-40%Cu合金进行定向凝固实验。结果表明:Al-40%Cu合金在低速下组织为全耦合的片层共晶结构,但当速率增加时,合金组织中出现一定量的初生Al2Cu相,凝固速率对合金共晶片层间距的影响通过实验结果分析。在实验的定向凝固速率范围内,发现平界面和胞状界面生长的两种共晶界面形态,并且不管是在哪种共晶界面形态下,共晶层片间距和凝固速率的关系都符合函数关系:λ2ν=常数,利用JH模型计算得到常数C的值为12.85μm3/s。

单晶高温合金杂晶形成倾向性数值模拟

采用液态金属冷却法(LMC)实现定向凝固,运用ProCAST有限元软件包计算了DD483高温合金的定向凝固过程。在试验验证获得合理模拟参数的基础上,模拟抽拉速度和平台尺寸对高温合金变截面试样定向凝固过程温度场的影响,并采用ProCAST中的元胞自动机(CA)与有限元(FE)耦合模块计算相应条件下的微观组织,探究拉速和平台尺寸对高温合金变截面试样平台区域杂晶形成的影响。结果表明,冷却曲线模拟结果与试验结果吻合良好;拉速越大,杂晶形成倾向越大;同样,平台尺寸越大,杂晶形成倾向也越大;试样平台尺寸越大,获得单晶的临界拉速越小。

抽拉速率对定向凝固叶片状DZ125高温合金微观组织的影响

应用液态金属冷却(LMC)和高速凝固(HRS)定向凝固技术,对DZ125高温合金叶片状铸件在不同抽拉速率下的组织演变规律进行了研究,并对比研究了LMC和HRS法所得铸件的微观组织.结果表明,同一定向凝固方法下,随抽拉速率的提高,铸件枝晶组织及γ′析出相得到细化;应用LMC技术所制备铸件的枝晶组织和γ′析出相较相同抽拉速率HRS方法时更为细小;相同工艺参数下LMC和HRS方法所制备铸件一次枝晶间距的差异随铸件壁厚及抽拉速率的增大而更显著.通过对固/液界面前沿温度梯度进行估算发现,LMC方法可获得更高的温度梯度,且其温度梯度受抽拉速率变化影响较HRS更小.除70μm/s抽拉速率外,LMC法所得γ+γ′共晶组织的含量均显著少于HRS方法;70μm/s抽拉速率时,LMC法产生的偏析较严重,而其余凝固条件下偏析程度较相同工艺参数下HRS轻.110μm/s抽拉速率时,HRS方法较LMC方法制备铸件中MC型碳化物尺寸更大.

Ni-Fe-Ga-Co磁性形状记忆合金定向凝固稳定生长区的组织及择优取向

采用区域熔炼液态金属冷却定向凝固法制备具有择优取向的Ni_(52)Fe_(17)Ga_(27)Co_4磁性形状记忆合金,借助OM,SEM和EBSD研究了稳定生长区的组织特征和择优取向.结果表明,在低温度梯度和高凝固速率下,晶体沿〈100〉方向生长,但生长不稳定,存在初生γ相;当提高温度梯度和降低凝固速率后,晶体沿〈110〉方向生长,柱状晶大小均匀,无γ相,室温时为沿(222)面取向的马氏体单相组织.马氏体孪晶孪生面为(110)和(110),内部无微孪晶;在马氏体组织中,观察到了条状分布的磁畴.理论分析结果表明,晶体稳定生长的条件为高的温度梯度和低的凝固速率.在该条件下获得了大体积稳定马氏体单变体区.