Page 114 - 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

供高效的计算效率，但也会使微观组织周围复杂的溶质分布被体积平均而失真。
REN N 等通过在欧拉多相流框架下将固液和液相作为独立的流体相，在亚格子
尺度下描述固液相之间的相互作用，发展出了微观组织和多物理场的强耦合方法，

成功地模拟出树枝晶的熔断过程。
2. 晶粒形核与生长
单晶叶片制备的首要关键点就是要获得单个晶体＜ 001 ＞方向与最大应力方
向平行的晶粒，目前主要有选晶法和籽晶法两种方法。DAI H J 等采用 CAFE 模

型模拟了单晶叶片的选晶过程，再现了金属液在基板上激发形核形成任意取向的
晶粒。这些晶粒在起始段中自由地生长相互挤压空间而相互淘汰；＜ 001 ＞方向
与温度梯度方向夹角较小的晶粒淘汰掉夹角较大的晶粒；多个与温度梯度方向相
近的晶粒进入螺旋结构的选晶器中；经过复杂的几何空间淘汰机制，最终只有一

个晶粒生长而进入叶片。此外，研究了起始段高度和选晶器升角对选晶效果的影
响，建立对竞争生长和螺旋选晶更为直观且深入的认识。YANG X 等、D’SOUZA
N 等以 CA-FD 模型模拟了籽晶回熔过程中籽晶内部的枝晶熔化和溶质扩散，以
及枝晶外延生长过程中微观组织形貌的演变，并评估了倾斜的宏观温度场对籽晶

外延生长过程中杂晶的形核长大的影响。
3. 枝晶熔断与雀斑缺陷
雀斑是高温合金铸件中常见的缺陷之一，在铸件的宏观晶粒组织检验中表
现为沿凝固方向呈链状分布的细碎晶粒，主要由无特定晶体取向的等轴晶粒所组

成，这些无特定取向的晶粒彼此之间的晶界与杂晶一样会对叶片的服役性能不利。
SHEVCHENKO N 等用 X 射线成像的方法观察了熔点接近于常温的 Ga-In 合金体
系的定向凝固过程，证实了溶质富集导致了偏析通道的形成和枝晶断裂、移动，
进而形成了新的晶粒。REINHART G 等采用同步辐射的方法首次观测了布里奇

曼炉内镍基单晶高温合金 CMSX-4 的定向凝固过程。试验观测到了近壁处偏析
通道的形成，以及偏析通道内二次枝晶臂根部的断裂进而从一次枝晶臂脱离的过
程，证实了布里奇曼炉内镍基单晶高温合金定向凝固过程中同样会形成偏析通道
以及发生枝晶断裂。尽管上述方法可以为揭示雀斑晶粒的形成过程提供最为令人

信服的依据，但受到试验条件本身的诸多限制，以高分辨率提取试验过程中的温
度分布、流动速率、流动形貌以及溶质浓度分布的难度非常之大，尤其是在液相
线温度较高的高温合金在不透明的型壳中凝固过程中。并且试验过程中的干扰因

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