[发明专利]基于螺旋选晶器引晶段的仿真模拟铸造研究方法

说明书

本发明属于高温合金熔模精密铸造应用技术领域，具体公开了基于螺旋选晶器引晶段的仿真模拟铸造研究方法，包括以下步骤，步骤（1）确定选晶器基本参数后，采用UG进行模拟用三维模型建模；步骤（2）将三维模型导入ProCAST，进行温度场及CAFE计算，最终得到相关模拟有限元模型，观测合金铸造仿真模拟软件的有限元模型结果并分析。本发明的基于螺旋选晶器引晶段的仿真模拟铸造研究方法的有益效果在于：通过UG进行模拟用三维模型，导入ProCAST，进行温度场及CAFE计算得到相关模拟有限元模型，其中，模拟不同的螺旋选晶器引晶段高度尺寸下对晶粒密度影响，进而得出最优螺旋选晶器引晶段高度设计，提高高温合金熔模技术所铸造单晶叶片的品质，降低生产成本。

技术领域

本发明属于螺旋选晶器应用技术领域，具体涉及基于螺旋选晶器引晶段的仿真模拟铸造研究方法，特别是螺旋选晶器引晶器对叶片铸造的影响问题。

背景技术

高温合金的熔模精密铸造和定向凝固，是制造航空发动机和燃气轮机单晶 (或定向结晶)涡轮叶片的关键技术之一。

选晶法制备镍基单晶高温合金过程中，选晶器引晶段的主要作用是优化晶粒取向，引晶段在靠近水冷铜板表面的引晶段底部形成大量取向，随机分布的等轴晶晶粒，晶粒密度随着浇注温度增加而减小，引晶段的主要作用是优化晶粒取向，获得取向良好的获得取向良好的001定向组织图1中所示。

对C型选晶器选晶行为的研究表明，选晶过程中通道两侧的晶粒由于受到选晶器通道较强的阻碍，逐渐失去生长空间而被靠近通道内侧的晶粒所淘汰。

热流方向一致或接近的晶粒生长速率较快，因此导致了那些择优生长方向与热流方向偏离较大的晶粒的生长空间逐渐受到限制，最终被淘汰。图1中所示的晶粒A和C的择优生长取向与逆热流方向(纵向温度梯度G V方向)一致，其生长速率为V 0。而晶粒B则与纵向温度梯度G V存在偏离角θ，其纵向生长速度分量为Vθcosθ。随着凝固的进行，晶粒B的生长空间会不断被挤压，最终在竞争生长中被淘汰，而择优生长方向与热流方向一致的晶粒A和C会被保留。

单晶叶片定向凝固中可以利用不同晶粒之间的竞争生长使得大部分晶粒被淘汰，最后只保留一个取向良好的晶粒进入叶片型腔。但是，利用晶体自身的竞争生长进行晶粒的淘汰，需要很长的生长距离才有可能获得组织均匀的单晶，采取人为控制晶粒生长几何空间的方法可提高获得单晶的效率。

基于上述问题，本发明提供基于螺旋选晶器引晶段的仿真模拟铸造研究方法。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供基于螺旋选晶器引晶段的仿真模拟铸造研究方法，研究利用高温合金熔模技术铸造合金叶片时螺旋引晶器引晶段对铸造叶片的影响，通过分析得出最优螺旋引晶器引晶段设计。

技术方案：本发明提供的基于螺旋选晶器引晶段的仿真模拟铸造研究方法，包括以下步骤，步骤(1)确定选晶器基本参数后，采用UG进行模拟用三维模型建模；步骤(2)将三维模型导入ProCAST，进行温度场及CAFE计算，最终得到相关模拟有限元模型，观测合金铸造仿真模拟软件的有限元模型结果并分析；

其中，步骤1中三维模型建模，包括选晶器、叶片、浇注系统、定向凝固炉。

本技术方案上述的，所述步骤(1)中根据一体化铸型结构特点，引晶段采用圆柱形结构，其设计参数主要为其直径(D)与高度(H)，其中，采用UG进行模拟用三维模型建模时，引晶段的直径设为15mm，引晶段的高度设为30mm，用于选晶器设计及单晶叶片制备的预模拟实验。

本技术方案上述的，所述步骤(2)中对有限元模型实验得到的引晶段进行微观组织观察，其中，在5mm-30mm的高度范围和引晶段纵向上截取不同截面进行组织分析引晶段晶粒生长模拟及典型金相组织结果，引晶段的出口应设置在其顶部中间位置。