淺談數值模擬技術在高溫合金熔模精密鑄造中的應用進展

史艷莉

西安交通大學城市學院，陜西 西安 710018

高溫合金熔模的鑄造主要用于航空和工業系統。在航空以及工業的發動機制造中，需要眾多繁雜的配件，這些部件集成后重量輕，結構高效。高溫合金熔模鑄造變得越來越復雜，規模越來越大，精度越來越高。投資鑄造一般包括制芯、壓蠟、制殼、脫蠟、鑄造、脫殼、打磨門、機加、檢驗等工藝流程。在鑄造的流程中存在復雜性、不穩定性等特點，而如果相關技術控制不準確，就會出現構造的粗拙、彎曲、裂縫等瑕疵，從而增加工程量，減緩工程的進度。因此，在進行高溫合金熔模鑄造的過程中，經常需要進行多次的實驗的過程，檢驗生產的質量等，具有生產時間長、成本高等特點[1]。近年來，為了減少工藝改進試驗次數，降低生產的成本和周期，各種模擬技術和商業軟件應運而生，并且在高溫合金的熔模鑄造得到了檢驗，開始進一步投入生產。

1 多晶熔模精密鑄造數值模擬

當前多晶熔模精密鑄造數值模擬技術可以對溫度場、流場和應力場進行計算，對收縮、熱裂紋等缺陷進行預測以及顯示出微小內部結構的變化過程。該方法已廣泛應用于復雜高溫合金多晶精鑄工藝的評價和優化。[2]

1.1 溫度場模擬與收縮缺陷預測

目前商業模擬軟件在溫度場的模擬和收縮預測等方面的開發相對成熟。American Metal Foundry公司應用Procast軟件將產品的失效率從25%降至3%，并取得了很大的效益[3]。沈陽黎明發動機廠進行了投資的Procast軟件模擬鑄造過程中的K4169大口徑薄壁復雜渦輪罩，預測收縮和收縮缺陷的分布，并進行實驗的驗證，最后采用優化和改進的工藝。該方案取得了預期的效果顯著消除了缺陷。北京航空材料研究所還利用Procast軟件優化了發動機K403火箭發射罩的鑄造工藝，有效地消除了收縮和孔隙率[4]。此外，沈陽黎明發動機廠還利用該軟件為K4104重型燃氣輪機主機配備了復合空心。

1.2 應力場模擬，熱裂紋和變形預測

在龐大的多晶熔模鑄件中，特別在具有“薄”特點的多晶融模鑄件中，對于鑄件裂開以及鑄件變形很難進行人工的精準控制[5]。所以應力場模擬在多晶融模鑄件中對融模鑄件的開裂以及變形情況發揮著至關重要的作用。

1.3 微觀組織模擬與預測

鑄件通常是樹枝狀或柱狀晶體，并且在鑄件的使用過程中容易產生和發展疲勞裂紋，因此控制鑄件的晶粒尺寸和微觀結構尤為重要。近年來，基于溫度場的仿真計算方法，通過試驗對K35鎳基高溫合金渦輪葉片鑄件的晶粒尺寸和二次枝晶間距進行了模擬和驗證[6]。王鵬飛采用CAFE方法模擬了K4202高溫合金在細晶粒鑄造過程中的顯微組織。仿真和實驗結果表明，鑄造處于低過熱狀態，雖然現有模型和算法得到的結果與實驗結果吻合良好，但僅限于實驗室研究，僅適用于鑄件的局部區域，不能直接應用于實際的鑄件生產[7]。

2 高溫合金定向凝固及單晶制備過程數值模擬

定向凝固或單晶超合金已廣泛用于航空發動機渦輪葉片、導葉和重型燃氣渦輪葉片。由于定向凝固過程的復雜性和影響定向凝固過程的諸多因素，數值模擬技術已逐漸應用于該領域。

2.1 定向凝固及邊界條件

目前，我國高溫合金材料參數的研究經驗以及過程比較單薄，特別是在缺乏高溫區域的情況之下，根據實際材料和工藝實驗測量的熱物理參數和界面傳熱系數很少，一些現有的數據是分散的，不能公開獲得[8]。早在1978年，美國亞利桑那大學就提供了一個數據庫，從界面和邊界條件參數兩個方面，通過正交試驗和反演計算研究了邊界參數對定向凝固模擬中凝固溫度曲線的影響。

2.2 單晶高溫合金定向凝固數值模擬

20世紀80年代后，國內外對于定向凝固數值模擬的技術進行了深入的研究，并且取得關鍵性的進展。單晶高溫合金定向凝固數值模擬已經從簡單的溫度場模擬轉變成考慮拉拔速度和輻射散熱等因素的結構模擬[9]。近年來，大量學者、高校在定向數值模擬方面做了大量的研究工作。鑒于此，北京航空材料研究院進行了DD6單晶工作葉片和導葉的定向凝固溫度場、溫度梯度和凝固界面單晶高溫合金定向凝固數值模擬，并進行了實驗驗證。CAFE方法應用于沈陽黎明發動機廠在單晶導葉定向凝固過程中模擬晶粒的競爭生長機制和晶粒取向控制方法，準確預測異質缺陷的位置[10]。

3 結語

目前數值模擬技術已廣泛應用于高溫合金多晶熔模鑄造和單晶定向凝固技術的研究。溫度場模擬和收縮孔缺陷預測技術相對成熟，而鑄造應力模擬和微觀結構模擬尚未應用于實際生產過程中，需要進一步研究和改進。合金缺乏熱物理性質和不準確的邊界條件，高溫環境下的殼和核心材料仍然是制約數值模擬技術發揮更大作用的主要因素。未來應對系統和綜合性地測試典型高溫合金的高溫物理參數，建立和完善物理參數和邊界條件數據庫，為更好地應用數值模擬提供依據。歸根結底模擬只是一個工具，其最終目標是指導實際生產。企業應根據實際情況制定模擬過程和模擬結果分析的技術標準，可以實現仿真過程的標準化和固化，積累仿真應用經驗，使仿真技術真正實用。