一种基于仿真的单晶涡轮叶片复合控制引晶技术

本发明涉及定向凝固和单晶制备技术，是一种通过精细式仿真手段来模拟引导单晶生长的方法。

背景技术：

1、单晶涡轮叶片在定向凝固的生产过程中，容易产生晶体取向偏离较大和杂晶等缺陷。缘板与叶身的转接区由于散热条件极差,此区的熔体会较长时间保持过热状态,形成一个几乎闭合的热障区,阻挡了叶身的单晶直接向邻近的缘板横向扩展,使缘板边角处的金属液温度持续下降。在这个复杂的三维枝晶生长过程中,经常出现凝固界面前沿的液体为过冷状态、温度梯度为负的状况,极易产生杂晶等缺陷。杂晶严重破坏了单晶的完整性，使材料的力学性能严重下降。

2、目前的工厂生产过程中，主要通过两种手段来控制单晶涡轮叶片的铸造缺陷。一是降低抽拉速率，但会大幅度降低生产效率；二是添加引晶条，将叶身选出的单晶引至缘板处，并且能够对缘板导热，降低边角过冷度，从而促进叶身单晶向缘板扩展。虽然添加引晶条来调控单晶生长过程已有广泛应用，但发现引晶条在缘板上的添加方式仍然是基于试错法、依靠经验的层面，并且未能改善热障区的过热状态。因此，本方法从定点散热+定点保温的角度为制备单晶叶片提供了一种基于仿真的复合控制引晶技术，来抑制杂晶和优化晶粒取向。

技术实现思路

1、针对单晶涡轮叶片在定向凝固的生产过程中，容易产生晶体取向偏离较大和杂晶的问题，提出根据仿真中的形核位置,采用定点散热+定点保温的方法来控制截面尺寸突变处的温度场,改善热障区的过热状态,对抑制杂晶和优化晶粒取向起到一定的作用。

2、本发明实现上诉目的的技术解决方案包括以下步骤：

3、步骤1

4、通过procast仿真得到定向凝固结束后叶片温度场，将温度场导入procast软件cafe模块中，确定其缘板杂晶形核位置。

5、步骤2

6、在visual viewer中，对叶片缘板切片，分析凝固过程，得到缘板边角凝固顺序及相关规律。

7、步骤3

8、结合缘板杂晶形核位置及缘板边角凝固顺序，在叶片cad模型中定点添加引晶条，和提高引晶条下端在叶身引晶段的高度，其截面设计为矩形或圆形。

9、步骤4

10、在visual mesh中，增大缘板边角模壳厚度，减小叶身与缘板的过渡区(热障区)模壳厚度。具体步骤为：

11、[1]对叶身整体进行模壳厚度设置

12、[2]热障区模壳变薄。在叶身与缘板过渡区铸件壁厚和热含量的增大，更由于模壳的大幅增厚和散热条件的恶化,此处会形成热障区,阻碍叶身的单晶向缘板部位横向扩展,使缘板边角产生杂晶的形核和长大，因此减薄热障区模壳厚度、增加边角处模壳厚度是复合控制引晶关键环节之一。选择指定区域面网格节点，在shelling新建一个shell patch设置模壳厚度。

13、[3]缘板上下表面加厚。结合软件的可操作性，将叶片单独显示，全选面网格节点后，调整feature angle(在复杂曲面处经测试一般为5°-10°)再进行缘板部分反选，最后加厚模壳在shell options的all other面板处显示。

14、步骤5

15、按上述根据形核位置，采用引晶条、变模壳厚度来定点保温和散热的方法进行仿真，研究仿真前后截面尺寸突变处的温度场变化情况。

16、本发明的有益效果是：避免了传统引晶条在缘板上的添加方式仍然是基于试错法、依靠经验的层面，采用精细式的仿真手段，根据仿真中的杂晶形核位置,定点散热+定点保温的方法来控制截面尺寸突变处的温度场,改善热障区的过热状态,对抑制杂晶和优化晶粒取向起到一定的作用。

17、下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明

技术特征：

1.一种基于仿真的单晶涡轮叶片复合控制引晶技术，该方法的特征在于包括以下步骤:

技术总结
本发明公开了一种基于仿真的单晶涡轮叶片复合控制引晶技术，属于单晶熔模铸造领域，用来解决叶身向缘板过渡区因截面尺寸突变引起温度场分布不均，导致叶片出现宏观杂晶缺陷的问题。该方法主要包含以下步骤：(1)通过Procast软件中CAFE功能模拟缘板杂晶形核位置；(2)通过凝固云图确定缘板边角冷却顺序；(3)结合杂晶形核位置和缘板边角凝固顺序添加工艺筋；(4)增大缘板边角模壳厚度，减小叶身与缘板的过渡区(热障区)模壳厚度；(5)对比使用本方法前后的叶片晶粒生长情况。与现有技术相比,本发明的优点在于:建立了一种基于仿真的单晶涡轮叶片复合控制引晶技术，根据杂晶形核位置,采用定点散热+定点保温的方法来控制截面尺寸突变处的温度场,对晶粒按照生长最优向生长起到了一定的促进作用，对因温度场分布不均引起宏观杂晶缺陷起到一定的调控作用。

技术研发人员：卜昆,赵浩宇,牟升,任胜杰,王斌强,刘军,张瑞媛,白博贤,李哲旭,李翔
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14