西安航空职业学院西安航空职业学院毕业论文毕业论文ProCAST 在高温合金熔模精密铸造中的应用进展在高温合金熔模精密铸造中的应用进展姓姓 名：名： 专专 业：业： 航空电子 班班 级：级： 完成日期：完成日期： 指导教师指导教师: 摘摘 要：要：结合国内外研究工作和成果，介绍了 ProCAST 温度场模拟与缩孔缩松缺陷预测、应力场计算与热裂缺陷预测、微观组织模拟技术在复杂高温合金构件多晶铸造和定向凝固等主要领域中的应用情况。结合实际应用中存在的问题，对数值模拟技术在高温合金熔模精密铸造中的应用前景和发展方向进行了分析和展望。关键词：关键词：熔模精密铸造，高温合金，ProCAST，定向凝固，单晶高温合金熔模精密铸造主要用于航空发动机以及工业燃机等动力系统的热端部件，如涡轮叶片、机匣、导向器叶轮、整体叶盘等1。发动机热端部件对铸件尺寸精度和组织形态要求严格，因此对熔模精密铸造技术提出了高要求。一般来说，熔模精密铸造包括制芯、压蜡、制壳、脱蜡、浇注、脱壳、磨浇口、机加、检验等工序，工艺复杂且控制难度大，实际生产中往往需要经过大量的试制。随着凝固过程数值模拟技术的日臻成熟，以 ProCAST 软件为代表的铸造工艺仿真工具逐渐被广泛用于熔模精密铸造工艺设计与优化、铸造缺陷及微观组织预测中，以求减少工艺试验次数，降低生产成本和周期。1、复杂高温合金铸件多晶熔模精密铸造数值模拟ProCAST 软件能够耦合计算充型、凝固、冷却过程的温度场、流场、应力场，进而预测铸件缩孔、缩松、热裂等缺陷分布以及微观组织变化，已被广泛用于评价并优化复杂高温合金多晶熔模精密铸造工艺。1.1 温度场模拟与缩孔缩松缺陷预测温度场模拟与缩孔缩松缺陷预测ProCAST 软件在温度场模拟与缩松缩松预测方面应用较为成熟，已广泛用于辅助实际产品铸造工艺设计。美国 Metalcast 公司将 PorCAST 软件用于其复杂高温合金精铸件的缩孔缩松缺陷预测以及工艺优化中，将产品不合格率由 25%降低至 3%，获得了巨大效益2。国内沈阳黎明发动机厂利用 ProCAST 软件模拟了 K4169 大直径薄壁复杂涡轮发动机机匣精铸工艺，预测了缩孔缩松缺陷的分布并进行了实验验证，如图图 1 所示3。此外，北京航空材料研究院、沈阳黎明发动机厂也利用 ProCAST 软件对 K403 火箭筒头罩4、K4104 重型燃气轮大型叶片5、K4169 扩压器6等精铸件进行了工艺模拟和优化，并取得了良好的应用效果。（a）模拟结果 （b）实验结果图图 1 机匣铸件缩孔缩松缺陷模拟结果与检测结果对比机匣铸件缩孔缩松缺陷模拟结果与检测结果对比Fig.1 Comparison of calculated and experimental result of shrinkage porosity1.2 应力模拟与热裂预测应力模拟与热裂预测对于复杂薄壁精铸件，由应力所导致的铸件开裂、变形往往难以控制。ProCAST应力场模拟技术也逐渐用于铸件热裂倾向性和变形预测。王跃平7模拟了高温合金叶片精铸件应力场，并用切割法测量了铸件的残余应力，模拟结果与实验结果吻合良好。石照夏8模拟了K418增压涡轮的应力场并探明了引起热裂缺陷的原因。洪耀武9基于铸造应力场模拟改进了K424调节片的浇注工艺，显著消除了热裂缺陷并将铸件合格率提高了30%。然而，由于高温区力学性能参数缺乏、影响最终铸件应力分布的因素众多、热力双向耦合模拟对计算条件要求较高10、残余应力测试方法复杂等原因，铸造应力场模拟及变形预测技术的应用仍有待于深化研究。1.3 微观组织模拟与预测微观组织模拟与预测发动机热端部件工况恶劣，对铸件在中低温条件下低周疲劳寿命要求严格。普通熔模精铸件一般为粗大的树枝晶或柱状晶，铸件在服役过程中易发生疲劳和断裂11。随着凝固微观组织计算模型和算法研究的进展，ProCAST 微观组织模拟技术也逐渐用于铸件微观组织的预测。X. Xue12在温度场计算的基础上，模拟了 K35 汽轮机叶片铸件的晶粒大小和二次枝晶臂间距，并进行了实验验证。王鹏飞13采用 CAFE 法模拟了 K4202 高温合金热控法细晶铸造微观组织，并获得了整体细化的晶粒组织。虽然现有模型和算法模拟得到的微观组织结果都取得了与实验较为一致的结果，但仍仅针对于铸件局部区域，尚未能直接用于实际铸造现场。因此，如何将微观组织模拟与实际铸造工艺相结合仍是需要思考的问题。2、高温合金定向凝固及单晶制备过程数值模拟航空发动机及重型燃气轮机涡轮叶片已普遍采用定向柱状晶或单晶高温合金。定向凝固工艺复杂，影响因素众多，ProCAST 软件在该领域逐渐得到应用。2.1 定向凝固材料参数及边界条件研究定向凝固材料参数及边界条件研究定向凝固工艺依靠加热炉体的保温和冷却介质的冷却产生定向凝固所需的温度梯度，材料热物性参数、界面及边界条件参数的准确获取对温度场的准确计算至关重要。目前，国内在高温合金、型芯、型壳材料参数方面积累较少，尤其是高温区的热物性参数和界面换热系数匮乏，真正按照实际材料和工艺由实验测得的参数较少，已有的部分数据较为分散且无法公开获取。而美国Arizon大学早在1978年就发表了长篇论文“The Thermal Conductivity of Shell Investment Materials”， 为熔模铸造工艺仿真提供了所需的基础数据库14。在边界条件参数方面，国内北京航空材料研究院金海鹏15结合正交试验和反算法，研究了定向凝固模拟的边界参数对凝固温度曲线的影响，发现铸件与型壳间的界面换热系数对温度场的影响最大，并基于ProCAST软件反求技术，根据实测的温度曲线反求得到了DD6高温合金与型壳间界面换热系数随温度的变化曲线。西北工业大学16也针对界面换热系数进行了逆向求解与验证。清华大学崔锴17提出改进型Monte Carlo射线追踪法进行辐射换热计算，回避了传统辐射换热计算中角系数的直接计算，节省了计算时间。上述工作都为定向凝固工艺的仿真奠定了基础。2.2 单晶高温合金定向凝固数值模拟单晶高温合金定向凝固数值模拟定向凝固工艺主要包括水冷结晶高速定向凝固技术（HRS）和液态金属冷却定向凝固技术（LMC） 。单晶高温合金叶片对定向凝固工艺控制要求严格，在实际单晶叶片生产中，由于工艺控制精度不高、对单晶生长控制机理认识不够深入等原因，易产生杂晶、雀斑、伪晶等缺陷，导致产品合格率不高。国外从20世纪80年代开始研究单晶高温合金定向凝固数值模拟技术，目前已从早期简化的宏观温度场模拟发展到考虑抽拉速度、辐射散热等实际因素的温度场和微观组织耦合模拟。国内北京航空材料研究院15,18-19利用ProCAST软件实现了DD6单晶工作叶片和导向叶片定向凝固温度场、温度梯度以及凝固界面的预测，并进行了实验验证。沈阳黎明发动机厂20通过CAFE方法，模拟了单晶导向叶片定向凝固过程中晶粒竞争生长机制和晶粒取向的控制方法，准确预测了杂晶缺陷出现的位置。清华大学、西北工业大学21-22也对单晶高温合金选晶过程的晶粒竞争演化行为进行了数值模拟研究。 此外，清华大学唐宁基于ProCAST二次开发模拟了LMC定向凝固工艺，结果表明LMC工艺能够得到比传统HRS工艺更高的温度梯度和更小的糊状区宽度，如图图2所示23，进而细化枝晶、减小雀斑偏析和等轴晶转变趋势。西北工业大学郭如峰24也通过模拟发现，通过LMC法获得的单晶一次枝晶臂间距比HRS工艺减小了1/3-1/2。（a） HRS工艺 （b）LMC工艺图图2 不同定向凝固工艺下的凝固糊状区形态不同定向凝固工艺下的凝固糊状区形态Fig.2 Comparison of mushy zone between different directional solidification processes3、结束语（1）ProCAST 软件已广泛应用于高温合金多晶熔模铸造及单晶定向凝固工艺研究中。温度场模拟及缩孔缩松缺陷预测技术应用较为成熟，铸造应力模拟、微观组织模拟也逐渐应用于高温合金熔模精密铸造工艺研究中。（2）合金、型壳及型芯材料高温区热物性参数及力学性能参数缺乏、边界条件参数不准确仍是制约数值模拟技术发挥更大作用的主要因素。未来，应针对典型牌号高温合金的高温物性参数进行全面系统的测试，建立并健全物性参数及边界条件数据库，为数值模拟更好的应用提供基础。（3）模拟仿真最终的目标是指导实际生产。企业应根据实际情况，针对建模仿真流程、仿真结果分析建立技术标准，规范、固化仿真流程，积累仿真应用经验，使得仿真技术真正在实际生产中发挥作用。参考文献：参考文献：1 曹腊梅, 汤鑫, 等. 先进高温合金近净形熔模精密铸造技术进展J.航空材料学报, 2006, 26(3): 238-2432 Stefan Plotz. Improving Investment Casting Using Computer SimulationJ. Foundry Management & Technology, 2012, 140(12):26-27. 3 孙长波, 唐宁, 等. 机匣件真空熔模铸造的数值模拟J. 铸造, 2010, 59(2): 169-173.4 盖其东, 张鑫, 等. 基于ProCAST的某发动机火箭筒头罩工艺优化J. 钢铁研究学报, 2011, 23(2):573-576.5 孙长波, 周君华, 等. 基于ProCAST的大型复杂空心叶片精铸的数值模拟J. 铸造, 2012, 61(9):1026-1030.6 孙长波, 尚伟, 等. 高温合金扩压器整体精铸过程的数值模拟及工艺优化J. 材料科学与工艺, 2014, 22(1): 100-104.7 王跃平 高温合金精铸叶片热应力与变形的数值模拟D. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2007.8 石照夏, 董建新, 等. K418合金车用增压涡轮熔模铸造过程数值模拟及热裂预测J. 铸造, 2012, 61(6): 621-625.9 洪耀武, 王铁军, 等. 调节片熔模铸造过程的应力数值模拟J. 中国有色金属学报J. 铸造, 2012, 22(7): 1897-1903.10 廖敦明, 周建新, 等. 铸造过程热应力场数值模拟C. 湖北省铸造学术年会论文集, 2013.11 刘林. 高温合金精密铸造技术研究进展J. 铸造, 2012, 61(11): 1273-1285.12 X. Xue, L. Xu. Numerical simulation and prediction of solidification structure and mechanical property of a superalloy turbine bladeJ. Materials Science and Engineering A, 499, (2009): 6973.13 王鹏飞, 胡锐, 等. 高温合金K4202热控法细晶铸造过程模拟J. 特种铸造及有色合金, 2012, 32(3): 223-226.14 陈冰. 熔模铸造过程数值模拟国外精铸技术进展述评(11). 特种铸造及有色合金, 2005, 25(11): 683-686.15 金海鹏. DD6单晶高温合金叶片凝固过程数值模拟D. 北京: 北京航空材料研究院, 2009.16 Y.W.Dong, K.Bu, Y.Q.Dou et al. Determination of