Page 112 - 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

2. 金属液流动和溶质传输数值模拟
可以很好地展示出镍基高温合金定向凝固过程中的流动、传热和传质现象，
并获得最终的通道偏析形貌。研究表明，尽管凝固过程中形成了多股烟囱流，但

是并不是所有烟囱流下方都形成了能够稳定发展的偏析通道。在糊状区内金属液
流动的不均匀性及其所带来的扰动，对富集溶质的积累产生了干扰，进而抑制了
通道偏析的持续发展。但是一旦形成了稳定的通道偏析，糊状区内排出的溶质将
在热质对流的作用下持续地流入偏析通道内，造成通道内的溶质进一步富集，从

而使通道偏析得以稳定地持续发展。铸件表面由于存在着侧向热损失，且局部的
流场受到主液相区的流动影响更小，更易形成稳定持续发展的通道偏析，通道偏
析反而不易于在铸件中心持续地向上发展。相较于三维算例，二维算例缩小了熔
体中流动扰动的幅度，因而未能准确地复现偏析通道的分布特点。在特征几何形

状铸件以及实际叶片铸件中，相关的数值模拟再现了 MA D X 等在镍基高温合金
CMSX-4 定向凝固的试验中发现的通道偏析分布特点，并从流动稳定性的角度揭
示了该分布规律的内在机理。研究表明，定向凝固过程中的侧向热流是诱发雀斑
链在铸件表层形成的重要原因，通道偏析的分布规律对凝固过程中的冷却条件和

铸件的几何形状非常敏感。铸件横截面积增大时，金属液中的溶质被稀释，因而
铸件中不易形成雀斑链，而横截面积的减小促进了溶质富集以及通道偏析的形成。
在铸件的几何尖锐和薄壁特征处，由溶质富集所引起的烟囱流局部流场受到主液
相区内的流动扰动较弱，溶质得以持续地在其底部富集，并且此类特征处树枝晶

的生长速率明显较高，这都推动了通道偏析的形成和持续发展。除了成分偏析以
外，金属液中溶质元素输运及其所产生的扰动还会对微观组织产生影响，严重时
甚至导致枝晶熔断。
（三）晶粒的形核与生长

1. 晶粒组织预测模型
尽管温度场以及溶质元素分布可以在一定程度上体现出杂晶和雀斑缺陷形成
的概率，但在工程实际中需要以更为直观、定量的方式判断铸件的晶粒组织是否
为单晶组织，这需要进一步地发展应用晶粒组织预测模型。相场、界面追踪和元

胞自动机是铸件晶粒组织模拟中最常用的方法，其中元胞自动机模型被广泛应用
于树枝晶生长的模拟中。相比于相场法和界面跟踪法，其在计算效率方面有着尤
为突出的优势，更适用于实际工程问题中。RAPPAZ M 等、GANDIN C A 等首先

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