Page 93 - 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

固时的枝晶取向直接影响零件力学性能。
需要注意三个常见误区。网格尺寸不是越小越好，过细的网格会导致计算时
间呈指数增长。某次模拟中把网格从 0.5μm 加密到 0.2μm，计算结果差异不足 2%，

但耗时增加 8 倍。物理模型不能盲目套用，比如描述贝氏体相变的模型不能直接
用于马氏体相变，两者形核机制完全不同。计算结果需要工程化解读，模拟显示
某模具钢淬火后出现 10% 残余应力，实际可能因材料杂质产生更大应力，需要
保留 15% 的安全余量。

发展趋势有两个方向。机器学习开始用于加速计算，训练神经网络预测相变
动力学，比传统方法快 100 倍以上。多尺度模拟成为主流，把分子动力学获得的
原子迁移数据输入相场模型，再与有限元法计算的热应力耦合，实现从埃米到毫
米尺度的跨层次计算。某研究团队用这种方法设计出新型纳米析出强化钢，抗拉

强度突破 2GPa。

第三节 缩孔、偏析等缺陷的数值预测方法

一、铸造缺陷的影响

铸造作为一项关键的金属成型工艺，在现代制造业里有着不可替代的地位。
从航空航天领域的核心零部件，到汽车工业的发动机缸体，再到机械制造中的各

类结构件，铸件的应用十分广泛。然而，铸造过程中，缩孔、偏析等缺陷的产生
严重影响了铸件的质量与性能。缩孔是铸件在凝固期间因补缩不佳，于热节或最
后凝固部位形成的宏观孔洞，其形状不规则，表面粗糙。缩孔的存在好似在牢固
的堡垒中埋下了祸根，极大地降低了铸件的力学性能。以航空发动机的高温合金

涡轮叶片为例，缩孔缺陷可能致使叶片在高温、高压的恶劣工况下出现疲劳裂纹，
进而引发叶片断裂，严重危及飞行安全。在汽车发动机缸体的铸造中，缩孔会降
低缸体的强度和密封性，导致发动机漏油、漏气，影响发动机的性能和寿命，增
加维修成本和能源消耗。偏析指的是铸件内部元素分布不均，造成性能差异。这

种缺陷如同潜藏在铸件内部的“隐疾”，会使铸件各部分的硬度、韧性、耐腐蚀
性等性能高低不一。在海洋工程用的大型铸钢件中，偏析可能导致局部耐腐蚀性
变差，使得铸件在海水的侵蚀下过早出现腐蚀损坏，缩短海洋工程设施的使用寿

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