Page 109 - 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

石墨加热体向型壳中心处各表面尤其是叶身阴面的辐射传热极大程度上被叶身阳
面阻挡，叶身阳面和阴面两侧的辐射强度的差异显著加大。型壳底部的起始段和
选晶器等结构并不能像型壳底盘一样有效地阻碍热区沿轴向向下的辐射传热，因

此炉膛中心处的辐射温度降低要明显更快一些，导致辐射的径向分布变得更为不
均匀。受到辐射传输和热传导演变的直接影响，在定向凝固过程中，在型壳内固
液界面的形貌以及固液界面在炉膛内的相对位置也都发生了显著的变化。叶片薄
侧的热量散失要比厚侧快很多，因而固液界面在薄侧向上推进得更快。

基于温度场的模拟结果，还可以获得叶片凝固过程中的温度分布、温度梯度
及冷却速率分布、固液界面形貌演变过程，其中固液界面的形貌演变受到了重点
关注。铸件的几何形状尤为复杂，其横截面沿定向凝固方向剧烈变化，在某些横
截面处还存在薄壁、空腔以及尖角等几何特征。由于辐射传热条件的特点，叶片

中的等温面以及糊状区的形貌在定向凝固过程中呈现出剧烈变化的趋势。叶片铸
件的截面突变处还会提前向外损失热量而使局部金属液温度降低。在液相线等温
面尚未从叶身推进到榫头时，榫头处金属液就已经具有一定的过冷度而形成“过
冷区”。过冷区的存在极易导致新晶粒的形核长大，成为最终叶片铸件中的杂晶

缺陷，当过冷区的过冷度达到高温合金的临界形核过冷度时，过冷区内发生形核，
并且新晶核在较高的过冷度下迅速生长成为新的晶粒而占据过冷区的空间，即成
为最终叶片铸件中的杂晶。在温度场演变的数值模拟中，液相线等温面的下凹和
不连续性可以用以描述和衡量榫头处过冷区。而在榫头这种铸件截面积剧烈变化

的区域，固液界面呈现出复杂的形貌，难以简单地用曲率等物理量对杂晶的形核
长大概率进行定量的描述。
3. 温度场模拟在工艺优化中的应用
温度场是工艺优化最直接、最易于实行的控制目标。通过试验验证，温度场

的数值模拟结果可为工程应用提供参考，还可基于对模拟结果的分析对工艺进行
改进，并通过数值模拟进行预验证，这对于工艺优化及其进一步应用具有重要价
值。基于以上对叶片定向凝固过程温度场演变过程的理解，发展出了引晶条、反
向提拉、导热块、型壳厚度设计以及变速抽拉多种不同方法，改善叶片的局部温

度场以消除叶片铸件中的杂晶。
根据对温度场演变特点的理解，杂晶的形成和长大体现于单晶生长直至充满
整个铸型过程在空间上的不连续性。在叶片铸件上设计从底部延伸至榫头等极易

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