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1、2010年12月航空精密制造技術(shù)Dec2010第46卷 第6期AVIATIONPRECISIONMANUFACTURINGTECHNOLOGYVol.46No.63一種單晶渦輪葉片凝固過程及晶粒組織的數(shù)值模擬劉金龍,石多奇,楊曉光(北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,北京 100191)[摘要] 建立了單晶渦輪葉片的有限元模型,采用有限元方法計(jì)算了葉片熔模精密鑄造凝固過程的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及應(yīng)力場(chǎng)。數(shù)值模擬結(jié)果可以為優(yōu)化單晶葉片鑄造工藝、改善葉片晶粒組織結(jié)構(gòu)、提高葉片強(qiáng)度提供依據(jù)。[關(guān)鍵詞] 單晶;渦輪葉片;晶粒;數(shù)值模擬[中圖分類號(hào)]V232.4[
2、文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A[文章編號(hào)]1003-5451(2010)06-0021-05SolidificationandGrainNumericalSimulationinaSingleCrystalTurbineBladeLIUJin-long,SHIDuo-qi,YANGXiao-guang.(SchoolofJetPropulsion,BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Beijing100191)[Abstract]Afiniteelementmodel(FEM)wasestablished.F
3、lowfield,temperaturefield,andstressfieldweresimulatedbasedonFEM,andgrainstructurewassimulatedbasedonCAFE(cellularautomatafiniteelement).Thesimulationresultscouldprovideevi2denceforoptimizingcastingprocesses,improvinggrainstructure,andenhancingstrengthofblade.[Keywords]singlecr
4、ystal;turbineblade;grain;numericalsimulation引言晶材料是未來十年的發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片候選材料。和普通精鑄葉片相比,定向凝固葉片的壽命能提高3倍;而為了滿足對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能不斷提高的要求,渦單晶葉片蠕變強(qiáng)度和抗熱疲勞能力可提高8倍,抗氧輪葉片的工作溫度不斷提高,使得葉片材料成為關(guān)鍵化和抗腐蝕能力可提高2.5倍。的問題,目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片選用的材料主要是因此單晶渦輪葉片是目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究的熱點(diǎn)鎳基或鈷基的高溫合金,而其制造技術(shù)經(jīng)歷了從多晶和難點(diǎn)。相比較國外的單晶葉片,我國的單晶葉片一大鑄造、定向凝固到單晶的
5、發(fā)展歷程。定向凝固技術(shù)可難點(diǎn)是鑄造合格率低,不能得到合格的“晶粒組織”,而消除合金晶粒垂直于主應(yīng)力軸的晶界,可使渦輪進(jìn)口晶粒組織又很大程度上影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,鑄造工藝又是影溫度提高20-60℃,并使葉片具有更高的強(qiáng)度和抗蠕響晶粒組織的關(guān)鍵因素,因此有必要開展單晶渦輪葉片變性能。單晶渦輪葉片是80年代以來航空發(fā)動(dòng)機(jī)的的鑄造過程數(shù)值模擬,模擬葉片的晶粒組織結(jié)構(gòu)。目前重大技術(shù)之一,過去的幾十年,相繼發(fā)展和應(yīng)用了第一在晶粒尺度下對(duì)鑄件凝固過程進(jìn)行模擬在國內(nèi)外已經(jīng)[1,2][3]代、第二代和第三代單晶合金,單晶技術(shù)使航空發(fā)動(dòng)機(jī)開展了一些研究,Rappaz等對(duì)Al
6、-Si等合金凝固渦輪葉片的耐溫能力比定向凝固葉片又高了90℃,單過程的微觀組織形成進(jìn)行了宏觀-微觀耦合模擬,偏重[4]于理論預(yù)算法;李殿忠利用有限差分法和CA法(元3航空基金資助項(xiàng)目胞自動(dòng)機(jī)法)對(duì)K417精鑄葉片的微觀組織狀態(tài)進(jìn)行了·21·?1994-2011ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net一種單晶渦輪葉片凝固過程及晶粒組織的數(shù)值模擬[5-8]模擬;劉林等對(duì)Al-Cu、Al-Si、K4169等合金的微采用SOLA-V
7、OF法和MAC法,而有限元法是基于觀組織演化過程進(jìn)行了研究。Galerkin方法。本文采用有限元方法模擬了某種單晶葉片熔模精1.2 凝固過程溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬方法密鑄造的凝固過程,計(jì)算了流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和鑄造應(yīng)力凝固是一個(gè)非常復(fù)雜的物理化學(xué)過程,是由包括場(chǎng);然后應(yīng)用CAF*算法模擬單晶葉片的晶粒組織結(jié)熱量傳輸、動(dòng)量傳輸、質(zhì)量傳輸及相變等一系列過程耦構(gòu),概括來講,是將有限元(FE)計(jì)算的溫度場(chǎng)結(jié)果插合而成的。在一般情況下,若鑄件充型時(shí)間和整體凝值到元胞自動(dòng)機(jī)(CA)中計(jì)算,得到葉片的晶粒結(jié)構(gòu),固時(shí)間相比很短時(shí),常?？梢约僭O(shè)鑄型是瞬時(shí)充滿的,計(jì)算結(jié)果可以為優(yōu)
8、化葉片鑄造工藝提供科學(xué)依據(jù)。這時(shí)只需計(jì)算溫度場(chǎng)即可。當(dāng)鑄件壁很薄或充型時(shí)間和凝固時(shí)間相差不多時(shí),必須耦合充型過程流場(chǎng)模擬
