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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
形成杂晶处的引晶条，尽管截面突增处因温度下降较快而易于形成过冷区，但单
晶可以通过引晶条这一路径生长至此并与叶片中的分支汇合，因此避免了新晶粒
的形核。MENG X B 等通过数值模拟，论证了引晶条的位置和数量在消除榫头杂
晶中的作用。金属液中不均匀的温度分布是由型壳表面不均匀的温度分布所决定
的。在不均匀的辐射温度场下，叶身尖锐特征及截面突增处型壳表面的温度降低
更快，通过设计厚度不均匀分布的型壳以及可脱离式隔热板可以减弱叶片温度场
的不均匀性，QIN L 等通过数值模拟的方法讨论了型壳设计对温度梯度和固液界
面形貌的影响。MA D X 等在榫头处用导热性能良好的石墨块连接截面突变处与
叶身处的型壳，通过数值模拟论证了用温度降低相对较为缓慢的叶身处型壳的热
量去平衡温度降低较快的截面突变处型壳的可行性。模拟和试验结果表明，导热
块起到了很好地改善型壳局部温度场的作用，减小了杂晶形核长大的区间，成功
消除了叶片榫头处的杂晶。数值模拟研究表明，固液界面推进速率与引晶速率存
在一定的差异，其在炉膛内的相对位置呈现出上下波动的趋势。当固液界面推进
速率低于引晶速率时，过冷区的形成将会更早，过冷度也会更大。REN N 等提
出基于减小固液界面的高度差和位置波动建立拉速调节的方法，通过数值模拟的
方法实时调节输出工艺曲线，数值模拟和试验结果证实该方法可以有效缩小榫头
处的过冷区并减小过冷区的过冷度。
（二）金属液流动和溶质传输
1. 流动和传质的耦合计算模型
高温合金的定向凝固过程还伴随着金属液的流动，以及由金属液流动而引起
的溶质输运，因此铸件中会出现呈通道状的宏观偏析形貌。在宏观尺度的偏析预
测模型中，凝固前沿糊状区内的树枝晶结构一般被简化为多孔介质，在此多孔介
质中发生溶质再分配以及流动的衰减，进而模拟得到溶质羽流和偏析通道。通道
偏析的产生是一个尤为复杂的过程，伴随着固液相变、熔体流动以及传热传质等
复杂的物理现象。WORSTER M G 认为凝固过程中被排出至液相中的溶质所引
起的密度反转是通道偏析形成的驱动力，将凝固前沿的羽状流归类为糊状区内溶
质富集引起的 Rayleigh-Bernard 流，而热质对流极大地促进了枝晶的熔断和雀斑
缺陷的形成。因此，BECKERMANN C 等提出以糊状区 Rayleigh 数评估雀斑形
成的可能性。Rayleigh 数被定义为热导率、金属液黏度、糊状区平均渗透率以及
密度差的函数。根据数值模拟的结果以及之前的试验结果，基于此 Rayleigh 数
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