關(guān)于液態(tài)金屬冷卻定向凝固數(shù)值模擬與試驗(yàn)的探索
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作者：張毅
工業(yè)上常用高速凝固( High Rate Solidification，HRS)工藝制備定向和單晶鑄件。該工藝具有操作簡單、易于控制等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于制備航空渦輪葉片等小尺寸鑄件。20世紀(jì)90年代開始，重型燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展需求尺寸更大、結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜的葉片，傳統(tǒng)的HRS定向凝固工藝由于散熱效率較低，在制備大尺寸葉片時(shí)會出現(xiàn)諸多弊端，如型殼變形開裂，鑄件易產(chǎn)生雀斑及雜晶缺陷等。液態(tài)金屬冷卻( Liquid Metal Cooling，LMC)工藝采用低熔點(diǎn)液態(tài)金屬作為冷卻介質(zhì)，依靠熱傳導(dǎo)的方式傳遞熱量，大大提高了散熱效率，使得凝固前沿有較大的溫度梯度。因而，該方法有望用于制備大尺寸重型燃汽輪機(jī)葉片。然而，由于LMC工藝傳熱條件較為復(fù)雜，工藝控制難度大，該技術(shù)尚在試驗(yàn)階段。
為了探究LMC工藝規(guī)律，近年來，研究者借助數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行了大量的研究。使用ProCAST軟件模擬了重型燃汽輪機(jī)葉片的溫度場，并耦合CAFE模擬了葉片的晶粒組織，并進(jìn)行EBSD試驗(yàn)觀察了實(shí)際葉片的晶粒取向，進(jìn)而優(yōu)化了工藝。不同抽拉速率對鑄件晶粒組織的影響，并和HRS工藝進(jìn)行了對比，研究表明，LMC工藝比HRS工藝允許使用更大的抽拉速率，且鑄件產(chǎn)生雀斑缺陷傾向小。BRUN-鑄件的枝晶生長規(guī)律，對比了不同抽拉速率下鑄件的枝晶形貌，并用ProCAST軟件進(jìn)行模擬對比。研究表明，LYIC工藝下能夠得到更加細(xì)密的枝晶組織。提出了LMC工藝條件下枝晶的橫向生長模型，并用ProCAST軟件對試樣進(jìn)行了模擬，對比了不同工藝下的枝晶形貌，用EBSD試驗(yàn)觀察了試樣的晶粒取向。工藝制備了重型燃汽輪機(jī)葉片，并用ProCAST軟件對其溫度場和晶粒組織進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)和模擬結(jié)果符合較好。重型燃汽輪機(jī)葉片的溫度場及充型過程，分析了缺陷形成的原因，并對ProCAST軟件進(jìn)行二次開發(fā)，模擬了葉片的微觀組織。
在前期工作的基礎(chǔ)上，考慮了LMC工藝的綜合邊界條件，建立了溫度場和微觀組織數(shù)學(xué)模型，開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的模擬軟件。進(jìn)行了澆注試驗(yàn)，用冷卻曲線和微觀組織形貌對模型進(jìn)行了驗(yàn)證。對試樣顯微縮松缺陷的形成進(jìn)行了模擬和試驗(yàn)的對比分析，結(jié)果較為符合。對鑄件進(jìn)行了微觀組織的腐蝕和模擬，分析了容易產(chǎn)生雜晶的部位及原因，提出了相應(yīng)的防止措施。
1 數(shù)理模型
1.1物理模型
圖1為LMC定向凝固爐的示意圖。LMC定向凝固爐主要包括：加熱區(qū)、固定擋板、浮動(dòng)擋板、抽拉裝置以及冷卻區(qū)。冷卻區(qū)為低熔點(diǎn)的液態(tài)金屬冷卻劑，試驗(yàn)用的是液態(tài)金屬S n，浮動(dòng)擋板由陶瓷球組成，激冷盤為石墨。澆注開始前，型殼固定在激冷盤上，隨后將合金液注入型殼，靜置一段時(shí)間后，以設(shè)定的速率開始抽拉，直至鑄件完全凝固。
1.2 數(shù)學(xué)模型
1.2.1溫度場模型
溫度場控制方程采用非線性傳熱方程
1.2.2微觀組織模型
微觀組織模擬以CA模型為基礎(chǔ)，采用連續(xù)形核模型計(jì)算形核數(shù)：
2 試驗(yàn)驗(yàn)證
為了驗(yàn)證數(shù)理模型的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)了變截面試樣，其三維造型及型殼見圖2，圖中1～4為測溫點(diǎn)。澆注試驗(yàn)在沈陽鑄造研究所進(jìn)行，使用D2466鎳基高溫合金，其化學(xué)成分見表1，液相線溫度為1 367℃，固相線溫度為1 302℃。澆注溫度為1 540℃．型殼預(yù)熱溫度為1 500℃，澆注時(shí)間為5s，抽拉速率為8 mm／min，液態(tài)金屬S n溫度為250℃左右。采用W-Re熱電偶和MV2000溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行測溫。澆注后的試樣不同部位進(jìn)行采樣分析，用金相顯微鏡觀察試樣的顯微縮松。
3 結(jié)果與討論
3.1冷卻曲線
圖3和圖4分別為溫度變化和冷卻速率變化的實(shí)測值與計(jì)算值對比。從圖3中可以看出，計(jì)算結(jié)果和實(shí)測結(jié)果符合較好，其中測溫點(diǎn)2和3由于接近激冷盤，受激冷盤影響較大，預(yù)熱時(shí)離擋板較近，因此其預(yù)熱溫度較低。這說明預(yù)熱過程中，型殼的溫度是不均勻的。澆注時(shí)，4個(gè)測溫點(diǎn)的溫度趨近于澆注溫度，這說明充型過程很快，可以簡化為瞬時(shí)充型�？拷だ浔P的測溫點(diǎn)的冷卻速率在澆注后立即達(dá)到了最大值，這是由于鑄件底端與激冷盤之間接觸傳熱，快速冷卻造成的。
此外，從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，LMC工藝可獲得比HRS工藝更大的冷卻速率。遠(yuǎn)離激冷盤的部位，其冷卻速率的變化取決于液態(tài)金屬冷卻劑的對流傳熱。靠近激冷盤的部位，其冷卻速率的變化在起始階段主要取決于激冷盤的散熱。由于測溫過程中存在一些不可控因素，實(shí)際測量和計(jì)算結(jié)果存在一些誤差，但都小于5%，在工程上屬于可接受的范圍，因此溫度場計(jì)算精度滿足研究及工藝優(yōu)化的要求。
3.2顯微縮松
對鑄件進(jìn)行了溫度場模擬，并以溫度場模擬結(jié)果為基礎(chǔ)，預(yù)測了鑄件凝固過程中顯微
縮松的分布。圖5為不同時(shí)刻溫度場的模擬結(jié)果及顯微縮松預(yù)測結(jié)果。從溫度場的變化可以看出，鑄件隨著抽拉的進(jìn)行而實(shí)現(xiàn)順序凝固，起始階段，由于激冷盤的作用使得凝固速率較快，隨后激冷盤作用減弱，凝固速率減小。從圖5中還可以看出，顯微縮松主要存在于截面較大部位的上端，因?yàn)樵谀踢^程中該部位容易形成熱節(jié)，不能得到充分補(bǔ)縮。為了驗(yàn)證縮松模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，對試樣進(jìn)行了加工，用金相顯微鏡對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，圖6為對應(yīng)部位縮松的觀察結(jié)果�？梢钥闯鲈嚇訉�(yīng)部位也存在顯微縮松，從而驗(yàn)證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。
3.3微觀組織
對鑄件進(jìn)行了晶粒組織的模擬，并進(jìn)行實(shí)際鑄件的晶粒腐蝕后進(jìn)行觀察，結(jié)果見圖7。從圖7中可知，晶粒的模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果符合較好。在起始段，由于激冷盤的作用，形核較多，晶粒生長較快，造成一部分晶粒的破碎和折斷等，隨著抽拉的進(jìn)行，具有擇優(yōu)取向的晶粒穩(wěn)定生長。還可以看出，截面突變部位容易產(chǎn)生雜晶缺陷，原因是厚大部位的邊角處過冷度較大，容易形成新的晶核。為了防止雜晶缺陷，可以采用變抽拉速率，提高厚大部位凝固前沿的溫度梯度等措施。
4 結(jié) 論
(1)考慮了LMC定向凝固工藝傳熱過程的綜合邊界條件，建立了數(shù)理模型，開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的模擬軟件，可對鑄件的溫度場及微觀組織進(jìn)行模擬。
(2)對模型進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，冷卻曲線的計(jì)算和實(shí)測結(jié)果符合較好，誤差在5%以內(nèi)；基于溫度場的模擬結(jié)果，對鑄件進(jìn)行了顯微縮松的預(yù)測，預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致。
(3)模擬了鑄件的晶粒組織，并和腐蝕后的實(shí)際鑄件進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)模擬和試驗(yàn)結(jié)果中晶粒的形核生長及取向較為一致；并發(fā)現(xiàn)在鑄件突變部位容易產(chǎn)生雜晶缺陷，提出了可能減少雜晶的措施。
5摘要建立了定向凝固液態(tài)金屬冷卻工藝的溫度場和微觀組織數(shù)學(xué)模型，開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的模擬軟件。通過測溫試驗(yàn)及晶粒組織形貌的對比驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性�；跍囟葓龅哪M結(jié)果，預(yù)測了鑄件的顯微縮松缺陷，并和試驗(yàn)進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)和模擬結(jié)果符合良好。對實(shí)際鑄件進(jìn)行了晶粒組織的腐蝕，結(jié)合模擬結(jié)果，分析了鑄件容易產(chǎn)生雜晶的部位，提出了相應(yīng)的防止措施。
