Page 106 - 数值模拟驱动的高温合金热加工技术

Numerical Simulation Driven Hot Working Technology for High-temperature Alloys
数值模拟驱动的高温合金热加工技术

温度等因素有关；还有边界条件和初始条件，边界条件包括铸件与铸型之间的换
热系数、铸件表面与周围环境的对流换热系数、辐射换热系数等，初始条件指的
是铸件在浇铸瞬间的温度、成分分布等。这些参数的设置需要参考相关的文献资

料和实验数据，以保证模拟的准确性。
挑选合适的数值计算方法，如有限元法、有限差分法或者有限体积法，对建
立的数学模型进行求解。在求解过程中，计算机通过迭代计算持续更新每个单元
或节点上的物理量，直至满足收敛条件，得到稳定的模拟结果。模拟结束后，对

模拟结果进行后处理，利用模拟软件自带的后处理工具或者其他数据分析软件，
像 Origin、MATLAB 等，绘制温度场、浓度场分布云图，分析不同时刻铸件中
溶质元素的分布状况，从而预测偏析的位置和程度。
数值模拟法具备直观、形象的优势，能够通过可视化的方式呈现铸件在凝固

过程中的温度场、浓度场分布，让研究人员能够直观地了解偏析的形成过程和分
布状况。该方法可以模拟复杂的铸造过程，考虑多种因素的相互作用，如多物理
场耦合、不同的边界条件和初始条件等，对各种形状和材料的铸件都有较好的适
用性，为铸造工艺的优化提供了全面的分析手段。然而，数值模拟法也存在一些

缺点。模拟过程需要开展大量的数值计算，对计算机的硬件性能要求较高，计算
成本较大，特别是对于复杂的铸件和精细的网格划分，计算时间会明显增加，这
在一定程度上限制了该方法的应用范围。模拟结果的准确性取决于所采用的数学
模型、参数设置以及边界条件的合理性，若模型简化不合理、参数选取不准确或

者边界条件与实际情况不符，都会致使模拟结果与实际情况存在偏差，需要丰富
的经验和大量的实验数据来确保模拟的可靠性。

第四节 定向凝固与单晶叶片模拟案例

一、高温合金定向凝固数值模拟

镍基高温合金因其在高温高压条件下优异的抗蠕变断裂性能和抗腐蚀性，而

被广泛用于航空发动机热端涡轮叶片的制造中。由于涡轮叶片复杂的几何形状以
及空腔结构，目前主要通过布里奇曼法定向凝固采用熔模铸造的方式直接成形。
裂纹是叶片零件失效的主要原因之一，研究发现，在叶片服役过程中裂纹是沿着

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