Page 117 - 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

方法计算枝晶边界处的流动冲击力，模拟了快速凝固下不同的过冷度下流体流动
诱发的枝晶形变。随着进口速度的增加或者枝晶尖端半径的减小，枝晶的表面应
力不断增加。YANG L 等结合元胞自动机—有限体积法（CAFVM）与有限元法

（FEM），将流固边界的流体应力张量作为有限元的载荷条件，模拟了不同进口
速度下流动引发的枝晶变形。随着枝晶生长，局部流动的速度大小及方向逐渐复
杂，熔体流动引发的枝晶变形等效应力和位移不断增大。枝晶弯曲主要发生在凝
固早期，二次枝晶在凝固时其较低的屈服强度（约 0.1MPa），熔体流动会使树
枝晶发生形变，特别是铝合金在较大熔体速度影响下。然而由于缺少合金在凝固
区间的力学性能（弹性模量、屈服强度及断裂强度）数据，对于高温合金目前仍

需进一步研究。
随着计算机硬件和数学模型的发展，数值模拟技术在高温合金定向凝固的研
究、工艺设计中得到了广泛应用。尽管数值模拟是一个非常强大的工具，其数学
模型应该能够充分描述对应的物理现象，而凝固过程中出现的某些物理现象还无
法为目前所发展的数学模型所描述，如高温合金单晶叶片中的大 / 小角度晶界、

条纹晶等缺陷。此外，为保证模拟结果的准确性和可靠性，模拟过程中需要采用
接近实际情况的定解条件（几何条件、初始条件和边界条件），一些物理现象的
特殊规律受到这些条件的影响非常显著。过度地简化数值模拟过程可能会导致模
拟结果与实际情况存在差异，难以满足对高温合金铸件精密控制的要求。在使用
商业软件对叶片定向凝固过程进行模拟时，边界条件以及操作条件的设定只能基
于软件的操作接口，而商业软件（如 ProCAST）所提供的数据交互接口较为有限。

因此，目前仍需对这些商业软件进行二次开发工作，或者开发出更具兼容性的软
件工具。
目前关于高温合金定向凝固的工艺优化仍然基于“经验 + 试错”的方法，尽
管数值模拟的方法可以从时间和成本上减少工艺摸索的消耗，但也仍处于点对点
式模式，划定的工艺窗口分辨率较为有限。数值模拟作为数字孪生的重要工具之

一，在高温合金定向凝固领域，其作用还未能得到充分发挥。基于高精度高保真
度的数值模拟，可以实现在模拟生产过程中的在线监测、实时调节，通过基于过
程的物理意义制定工艺控制原则、策略的方式，在模拟过程中测试、实现工艺过
程的自动调控。另外，随着数据驱动模型的发展，通过大批量、高密度的模拟算
例建立数据库，推动数值模拟与机器学习在高温合金定向凝固中的结合应用，有
望为精确划定工艺范围提供强有力的新工具。

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