Page 115 - 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

素众多，很难完全做到排除某一因素的干扰，如 RUVALCABA D 等无法完全排
除流动应力对枝晶熔断的影响。但通过数值模拟方法获取这些信息、排除某一物
理因素的干扰就相对简单，并且数值模拟在某些情况还会得到试验中不易被发现

的现象。因此作为试验方法的重要补充，数值模拟方法在过程的机理研究中扮演
着越来越重要的角色。
在晶粒尺度下，KARAGADDE S 等、YUAN L 等采用耦合的元胞自动机—
有限差分法揭示了 Pb-Sn 合金以及 Ga-In 合金定向凝固过程中通道偏析的孕育过

程。结果表明，枝晶间生长速率的差异所引起的溶质富集导致了通道偏析的孕育。
熔体对流对凝固前沿溶质分布所产生的扰动造成了枝晶臂之间生长速率的差异，
溶质富集阻碍了当地枝晶尖端的生长进而导致了枝晶间距的加宽。随着周围的枝
晶臂继续生长，溶质进一步富集于被抑制的枝晶臂前方，最终导致偏析通道的产

生。REN N 等发现，高温合金定向凝固中的侧向热流使枝晶间富集的溶质逐步
迁移至近壁处，从而形成稳定的通道偏析。通道偏析内富集的溶质使枝晶底部的
金属液过热，熔化了枝晶臂主干而使枝晶尖端脱离成为游离的枝晶碎片。尽管枝
晶底部发生了熔断，但枝晶尖端仍处于过冷熔体中而持续生长。直到偏析通道被

生长的侧向枝晶占据，偏析通道中熔体的过冷度始终未能达到高温合金的临界形
核过冷度，即雀斑晶粒的来源为溶质富集熔断的树枝晶碎片而非新形核的晶粒。
当侧向热流密度低于枝晶熔断发生窗口时，尽管铸件中仍会出现通道偏析，但其
偏析度不足以使枝晶主干熔断，因而铸件中不会出现枝晶碎片。

（四）叶片铸件的应力与应变
1. 应力应变的数学模型
在高温合金制备过程中，叶片铸件本身的变形会造成尺寸偏差。在冷却过程
中局部温度场分布的不均匀及金属、模具和型芯的不同热收缩系数引起固体变形，

在凝固完成后大约 300℃的温度区间内一般会出现 2%~3% 的塑性应变累积，进
而导致后续热处理过程中发生再结晶。在凝固过程及随后冷却过程中，固体在冷
却时的热膨胀、枝晶受到热溶质对流的冲击都会使树枝晶产生变形。除了晶粒的
形核和熔断以外，晶粒的变形会导致条纹晶、取向偏离、小角度晶界等缺陷的形

成，对铸件的性能造成影响。叶片铸件的宏观应力及变形目前主要采用有限元法
进行模拟分析，首先求解温度场然后将其作为热载荷输出到静应力过程的平衡方
程、本构方程及变形协调方程。应力和应变之间通过本构方程联系，采用增量理

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