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金属学报  2015, Vol. 51 Issue (10): 1288-1296    DOI: 10.11900/0412.1961.2015.00338
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镍基高温合金铸件液态金属冷却定向凝固建模仿真及工艺规律研究
闫学伟1,唐宁1,刘孝福2,税国彦2,许庆彦1(),柳百成1
2 沈阳铸造研究所, 沈阳 110022
MODELING AND SIMULATION OF DIRECTIONAL SOLIDIFICATION BY LMC PROCESS FOR NICKEL BASE SUPERALLOY CASTING
Xuewei YAN1,Ning TANG1,Xiaofu LIU2,Guoyan SHUI2,Qingyan XU1(),Baicheng LIU1
1 Key Laboratory for Advanced Materials Processing Technology, Ministry of Education, School of Materials Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084
2 Shenyang Research Institute of Foundry, Shenyang 110022
全文: PDF(5902 KB)   HTML
  
摘要: 

考虑了液态金属冷却定向凝固过程中动态对流边界, 建立了高温合金铸件温度场数学模型, 采用三维元胞自动机(cellular automaton, CA)方法和KGT生长模型, 建立了镍基高温合金凝固过程晶粒形核及生长的数学模型. 采用宏观模型与微观模型双向同步耦合, 实现了温度场和晶粒组织的数值模拟. 进行了浇注实验, 用冷却曲线和晶粒形貌验证了数学模型的准确性. 对液态金属冷却定向凝固规律的研究表明, 抽拉速率不仅对糊状区形状有重要影响, 而且对晶粒的平行度以及枝晶组织的细密性也有很大的影响. 抽拉速率过小时, 糊状区上凸, 晶粒组织易发散; 抽拉速率过大时, 糊状区下凹, 晶粒组织汇聚, 同时造成枝晶组织的粗化; 适当的抽拉速率下能获得平坦的糊状区, 提高晶粒的平行度, 细化枝晶组织.

关键词 液态金属冷却数学模型定向凝固数值模拟    
Key wordsliquid-metal cooling    mathematical model    directional solidification    numerical simulation
    
基金资助:* 国家重点基础研究发展计划项目2011CB706801, 国家自然科学基金项目51171089和51374137及国家科技重大专项项目2012ZX04012-011和2011ZX04014-052 资助

引用本文:

闫学伟,唐宁,刘孝福,税国彦,许庆彦,柳百成. 镍基高温合金铸件液态金属冷却定向凝固建模仿真及工艺规律研究[J]. 金属学报, 2015, 51(10): 1288-1296.
Xuewei YAN, Ning TANG, Xiaofu LIU, Guoyan SHUI, Qingyan XU, Baicheng LIU. MODELING AND SIMULATION OF DIRECTIONAL SOLIDIFICATION BY LMC PROCESS FOR NICKEL BASE SUPERALLOY CASTING. Acta Metall Sin, 2015, 51(10): 1288-1296.

链接本文:

https://www.ams.org.cn/CN/10.11900/0412.1961.2015.00338      或      https://www.ams.org.cn/CN/Y2015/V51/I10/1288

图1  液态金属冷却(LMC)定向凝固炉简化原理图
图2  试样的三维模型及模壳
图3  计算和实测的冷却曲线
图4  计算和实测的冷却速率
图5  不同抽拉速率下试样外侧面的晶粒生长模拟及实验结果
图6  不同抽拉速率下试样内侧面的晶粒生长模拟及实验结果
图7  不同抽拉速率下糊状区下凹度沿固/液界面高度方向的变化
图8  抽拉速率为24 mm/min时起始阶段糊状区的变化
图9  抽拉速率为8 mm/min时计算得到的一次枝晶臂间距分布图
图10  抽拉速率为8 mm/min时的一次枝晶臂间距模拟和实验结果
图11  抽拉速率为8 mm/min时计算得到的二次枝晶臂间距分布图
图12  抽拉速率为8 mm/min时的二次枝晶臂间距模拟和实验结果
图13  不同抽拉速率下试样横截面枝晶组织
图14  抽拉速率为12 mm/min时晶粒组织模拟和实验结果
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