作者：张毅
工业上常用高速凝固( High Rate Solidification，HRS)工艺制备定向和单晶铸件。该工艺具有操作简单、易于控制等优点，广泛用于制备航空涡轮叶片等小尺寸铸件。20世纪90年代开始，重型燃气轮机的发展需求尺寸更大、结构更加复杂的叶片，传统的HRS定向凝固工艺由于散热效率较低，在制备大尺寸叶片时会出现诸多弊端，如型壳变形开裂，铸件易产生雀斑及杂晶缺陷等。液态金属冷却( Liquid Metal Cooling，LMC)工艺采用低熔点液态金属作为冷却介质，依靠热传导的方式传递热量，大大提高了散热效率，使得凝固前沿有较大的温度梯度。因而，该方法有望用于制备大尺寸重型燃汽轮机叶片。然而，由于LMC工艺传热条件较为复杂，工艺控制难度大，该技术尚在试验阶段。
为了探究LMC工艺规律，近年来，研究者借助数值模拟技术进行了大量的研究。使用ProCAST软件模拟了重型燃汽轮机叶片的温度场，并耦合CAFE模拟了叶片的晶粒组织，并进行EBSD试验观察了实际叶片的晶粒取向，进而优化了工艺。不同抽拉速率对铸件晶粒组织的影响，并和HRS工艺进行了对比，研究表明，LMC工艺比HRS工艺允许使用更大的抽拉速率，且铸件产生雀斑缺陷倾向小。BRUN-铸件的枝晶生长规律，对比了不同抽拉速率下铸件的枝晶形貌，并用ProCAST软件进行模拟对比。研究表明，LYIC工艺下能够得到更加细密的枝晶组织。提出了LMC工艺条件下枝晶的横向生长模型，并用ProCAST软件对试样进行了模拟，对比了不同工艺下的枝晶形貌，用EBSD试验观察了试样的晶粒取向。工艺制备了重型燃汽轮机叶片，并用ProCAST软件对其温度场和晶粒组织进行了模拟，发现试验和模拟结果符合较好。重型燃汽轮机叶片的温度场及充型过程，分析了缺陷形成的原因，并对ProCAST软件进行二次开发，模拟了叶片的微观组织。
在前期工作的基础上，考虑了LMC工艺的综合边界条件，建立了温度场和微观组织数学模型，开发了具有自主知识产权的模拟软件。进行了浇注试验，用冷却曲线和微观组织形貌对模型进行了验证。对试样显微缩松缺陷的形成进行了模拟和试验的对比分析，结果较为符合。对铸件进行了微观组织的腐蚀和模拟，分析了容易产生杂晶的部位及原因，提出了相应的防止措施。
1 数理模型
1.1物理模型
图1为LMC定向凝固炉的示意图。LMC定向凝固炉主要包括：加热区、固定挡板、浮动挡板、抽拉装置以及冷却区。冷却区为低熔点的液态金属冷却剂，试验用的是液态金属S n，浮动挡板由陶瓷球组成，激冷盘为石墨。浇注开始前，型壳固定在激冷盘上，随后将合金液注入型壳，静置一段时间后，以设定的速率开始抽拉，直至铸件完全凝固。
1.2 数学模型
1.2.1温度场模型
温度场控制方程采用非线性传热方程
1.2.2微观组织模型
微观组织模拟以CA模型为基础，采用连续形核模型计算形核数：
2 试验验证
为了验证数理模型的准确性，设计了变截面试样，其三维造型及型壳见图2，图中1～4为测温点。浇注试验在沈阳铸造研究所进行，使用D2466镍基高温合金，其化学成分见表1，液相线温度为1 367℃，固相线温度为1 302℃。浇注温度为1 540℃．型壳预热温度为1 500℃，浇注时间为5s，抽拉速率为8 mm／min，液态金属S n温度为250℃左右。采用W-Re热电偶和MV2000温度数据采集系统进行测温。浇注后的试样不同部位进行采样分析，用金相显微镜观察试样的显微缩松。
3 结果与讨论
3.1冷却曲线
图3和图4分别为温度变化和冷却速率变化的实测值与计算值对比。从图3中可以看出，计算结果和实测结果符合较好，其中测温点2和3由于接近激冷盘，受激冷盘影响较大，预热时离挡板较近，因此其预热温度较低。这说明预热过程中，型壳的温度是不均匀的。浇注时，4个测温点的温度趋近于浇注温度，这说明充型过程很快，可以简化为瞬时充型。靠近激冷盘的测温点的冷却速率在浇注后立即达到了最大值，这是由于铸件底端与激冷盘之间接触传热，快速冷却造成的。
此外，从图3中可以发现，LMC工艺可获得比HRS工艺更大的冷却速率。远离激冷盘的部位，其冷却速率的变化取决于液态金属冷却剂的对流传热。靠近激冷盘的部位，其冷却速率的变化在起始阶段主要取决于激冷盘的散热。由于测温过程中存在一些不可控因素，实际测量和计算结果存在一些误差，但都小于5%，在工程上属于可接受的范围，因此温度场计算精度满足研究及工艺优化的要求。
3.2显微缩松
对铸件进行了温度场模拟，并以温度场模拟结果为基础，预测了铸件凝固过程中显微
缩松的分布。图5为不同时刻温度场的模拟结果及显微缩松预测结果。从温度场的变化可以看出，铸件随着抽拉的进行而实现顺序凝固，起始阶段，由于激冷盘的作用使得凝固速率较快，随后激冷盘作用减弱，凝固速率减小。从图5中还可以看出，显微缩松主要存在于截面较大部位的上端，因为在凝固过程中该部位容易形成热节，不能得到充分补缩。为了验证缩松模拟结果的准确性，对试样进行了加工，用金相显微镜对其内部结构进行观察，图6为对应部位缩松的观察结果。可以看出试样对应部位也存在显微缩松，从而验证了模拟结果的准确性。
3.3微观组织
对铸件进行了晶粒组织的模拟，并进行实际铸件的晶粒腐蚀后进行观察，结果见图7。从图7中可知，晶粒的模拟结果和试验结果符合较好。在起始段，由于激冷盘的作用，形核较多，晶粒生长较快，造成一部分晶粒的破碎和折断等，随着抽拉的进行，具有择优取向的晶粒稳定生长。还可以看出，截面突变部位容易产生杂晶缺陷，原因是厚大部位的边角处过冷度较大，容易形成新的晶核。为了防止杂晶缺陷，可以采用变抽拉速率，提高厚大部位凝固前沿的温度梯度等措施。
4 结 论
(1)考虑了LMC定向凝固工艺传热过程的综合边界条件，建立了数理模型，开发了具有自主知识产权的模拟软件，可对铸件的温度场及微观组织进行模拟。
(2)对模型进行了试验验证，冷却曲线的计算和实测结果符合较好，误差在5%以内；基于温度场的模拟结果，对铸件进行了显微缩松的预测，预测结果与试验结果一致。
(3)模拟了铸件的晶粒组织，并和腐蚀后的实际铸件进行了对比，发现模拟和试验结果中晶粒的形核生长及取向较为一致；并发现在铸件突变部位容易产生杂晶缺陷，提出了可能减少杂晶的措施。
5摘要建立了定向凝固液态金属冷却工艺的温度场和微观组织数学模型，开发了具有自主知识产权的模拟软件。通过测温试验及晶粒组织形貌的对比验证了模型的准确性。基于温度场的模拟结果，预测了铸件的显微缩松缺陷，并和试验进行了对比，发现试验和模拟结果符合良好。对实际铸件进行了晶粒组织的腐蚀，结合模拟结果，分析了铸件容易产生杂晶的部位，提出了相应的防止措施。
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