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CAFE模型模拟研究螺旋选晶器几何参数对选晶的影响

张璞  
【摘要】:镍基单晶高温合金是一种通过特殊的手段使合金中只有一个晶粒存在的镍基高温合金,由于不存在晶粒之间的晶界,几乎不会出现裂纹源,在高温环境下服役时的热疲劳性能、抗热腐蚀性能和抗蠕变性能较之高温合金得到了明显的提高,是目前航空发动机,燃气涡轮机叶片制备的主要材料之一。镍基单晶合金是面心立方晶格结构,在其100、001、010三个晶体取向中,001方向的晶粒具有最佳的综合力学性能。因此,将单晶合金叶片中001晶体取向控制到与其主应力轴方向尽可能一致便成了叶片控制的关键技术之一。本文采用CAFE模型模拟了第二代镍基单晶高温合金CMSX-4通过螺旋选晶器制备的过程。探讨了直接型、圆柱型、复合型三种过渡段的螺旋选晶器之间的区别以及螺旋选晶器引晶段几何参数(直径D和高度H),选晶段几何参数(螺升角?、螺旋直径sD和螺旋线直径hd)对选晶效果的影响及其选晶机制。结论如下:(1)引晶段的主要作用是优化晶粒取向,其对晶粒的选择主要由两个因素控制:选晶的早期阶段的晶粒竞争生长作用和选晶后期阶段的模具壁阻碍晶粒生长作用。选晶段的主要作用是选出单一晶粒,对取向没有优化作用,其对晶粒的选择只与其在选晶段中所处的位置有关,通常位于螺旋通道内侧的晶粒会被选出作为最终单晶。(2)直接型过渡段螺旋选晶器的选晶效率最好,圆柱型过渡段螺旋选晶器次之,复合型过渡段螺旋选晶器最差。圆柱型过渡段螺旋选晶器的选晶质量最好,直接型过渡段螺旋选晶器次之,复合型过渡段螺旋选晶器选晶质量最差。对于圆柱型过渡段螺旋选晶器,增加圆柱过渡段的高度可以进一步提高其选晶质量。(3)引晶段直径的减小和高度的增加都可以提高晶粒取向的优化,使得进入选晶段的晶粒偏转角较小,选出的最终单晶符合要求。但过小直径和过大高度又会使得从引晶单进入选晶段的晶粒数较少,选晶段无法发挥其优选作用。根据模拟结果,引晶段的直径设计在24~30mm,高度设计在30~36mm以内较为合适。(4)选晶段螺升角?、螺旋直径sD和螺旋线直径hd这些几何参数对选出的最终单晶取向没有优化作用,而对选晶效率有明显的影响。随着螺旋直径sD的增大,螺升角?或螺旋线直径hd的减小,选晶效率得到明显提高。根据模拟结果,对于选晶段的设计,螺升角的设计应处于25~35°以内,螺旋直径应设计在11~16mm,螺旋线直径应设计在4~6mm以内。


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