Page 107 - 数值模拟驱动的高温合金热加工技术

第三章 铸造凝固过程模拟与缺陷控制

晶界萌生和扩展的，因此减少铸件单位体积内的晶界会显著提高其在高温高压工
作条件下的蠕变寿命。因而在涡轮叶片的发展中，铸件晶粒组织从等轴晶、柱状
晶逐渐发展为单晶组织。在采用熔模铸造法制备零件过程中，完成零件的精确成

形、保证几何形状复杂的铸件中只有一个晶粒非常困难。在单晶的生长过程中，
枝晶臂的变形断裂或是新晶粒的形核长大会导致叶片铸件中出现杂晶、雀斑、小
角度晶界和条纹晶缺陷。由于某些镍基单晶高温合金完全移除了晶界强化元素，
新晶粒的存在会对叶片铸件的力学性能产生更为不利的影响。铸造缺陷导致实际

生产时叶片铸件成品率低下，给叶片的稳定生产带来巨大挑战，会大幅提升航空
发动机的制造和维护成本。提升叶片的成品率需要科研人员对其凝固过程建立起
充分的认识和理解，但目前难以实时观测凝固过程，缺乏实用、高效的方法对凝
固过程信息进行采集。而且高温合金价格尤为昂贵，开展多次重复试验进行工艺

的摸索的代价较大。计算机硬件和数学模型的迅速发展，为数值模拟方法探究缺
陷形成机理、开展工艺参数研究、探索工艺控制方法提供了强有力的工具，为构
建单晶叶片制备过程的数字孪生奠定坚实的基础。
（一）布里奇曼炉内的热量传输

1. 辐射传热的计算模型
在布里奇曼炉的设计中，热量在型壳和加热器之间以辐射的形式传递，在型
壳、金属液和结晶器之间以导热的形式传递，其中热辐射的传递是数值模拟中的
重点和难点。目前在工业上以及大部分的研究中，单晶叶片熔模铸造的浇铸及定

向凝固过程温度场的数值模拟主要采用 Surface to Surface 法来计算热辐射。借助
基于有限元法的 ProCAST 软件，可以模拟整个炉膛腔体内的辐射传输以及叶片
铸型的凝固过程，因此得到了非常广泛的应用。在早期的数值模拟工作中，型壳
的密度、比热容甚至是体积往往被忽略，而是用虚拟型壳法以等效热阻对其在热

量传递过程中的作用进行描述，但研究表明，由于型壳的比热容较大，会对其中
金属液的凝固过程产生显著的影响。不考虑型壳的体积时，也就无法模拟型壳预
热过程，无法预测预热结束时型壳和籽晶的温度分布。在近年来的数值模拟工作
中，将型壳的几何结构与炉膛内腔、叶片铸型都包含在计算域内。该方法在叶片

铸型几何形状特别复杂时会大幅提升计算资源的消耗，受到网格量以及计算耗时
的限制，因此在以往的研究中几何形状非常复杂的叶片铸型通常被极大甚至是过
度简化，因此难以得到参考价值更高的结果。

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