盧玉章，熊 英，彭建強(qiáng)，申 健，鄭 偉，張 功，謝 光

(1中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，沈陽(yáng)110016；2中國(guó)南方航空工業(yè)集團(tuán)有限公司，湖南 株洲412002；3哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱150046)

燃?xì)廨啓C(jī)是現(xiàn)代清潔能源的關(guān)鍵裝備，發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)發(fā)展重型燃?xì)廨啓C(jī)極為重視，在核心技術(shù)領(lǐng)域處于壟斷地位，對(duì)我國(guó)實(shí)行嚴(yán)格的技術(shù)封鎖和價(jià)格壟斷，因而自主研發(fā)先進(jìn)重型燃?xì)廨啓C(jī)具有緊迫的現(xiàn)實(shí)意義和重要的戰(zhàn)略意義[1]。為了提高渦輪葉片的承溫能力，燃?xì)廨啓C(jī)用渦輪葉片廣泛使用定向凝固技術(shù)制備的定向柱晶葉片或單晶葉片[2]。與航空葉片相比，燃機(jī)葉片尺寸、重量巨大，更易產(chǎn)生鑄造缺陷，制備難度很高。

目前國(guó)內(nèi)廣泛使用的定向凝固技術(shù)是高速凝固法(HRS)[3-4]。在HRS工藝中，熔融的高溫合金液澆入型殼后，從保溫爐中拉出，形成定向凝固鑄件。這種工藝，凝固前期熱量主要是通過(guò)水冷銅盤的熱傳導(dǎo)散失，凝固后期熱量依靠輻射散失，溫度梯度降低。當(dāng)鑄件尺寸較大時(shí)，容易出現(xiàn)縮孔、雀斑、小角度晶界、斷晶、雜晶等缺陷[4]。為控制上述缺陷，大型定向葉片的抽拉速率一般被控制在很低的水平，但這會(huì)帶來(lái)生產(chǎn)效率降低、合金液與型殼反應(yīng)加劇等問(wèn)題，因此，利用HRS法制備大尺寸的燃機(jī)定向或單晶葉片面臨很大挑戰(zhàn)[4]。

近年來(lái)國(guó)外對(duì)液態(tài)金屬冷卻(LMC)工藝進(jìn)行了深入的研究，俄羅斯與歐美的一些發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)獲得了工程應(yīng)用。LMC工藝引入了低熔點(diǎn)液態(tài)金屬作為冷卻介質(zhì)，鑄型被拉入低熔點(diǎn)液態(tài)金屬熔池中。傳熱方式始終以液態(tài)金屬的傳導(dǎo)與對(duì)流為主，溫度梯度和冷卻速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于HRS法，鑄件尺寸增大時(shí)，其溫度梯度基本保持不變。與傳統(tǒng)的HRS工藝相比，生產(chǎn)效率顯著提高，材料的宏觀組織在整個(gè)長(zhǎng)度范圍內(nèi)比較均勻，微觀組織偏析小[4]。

在定向或單晶葉片制備過(guò)程中，影響凝固過(guò)程的因素非常多，對(duì)LMC工藝來(lái)說(shuō)，由于液態(tài)金屬冷卻介質(zhì)的引入，凝固參數(shù)之間的交互作用更加復(fù)雜，傳統(tǒng)的試錯(cuò)法優(yōu)化鑄件定向凝固工藝周期長(zhǎng)、成本高，而利用數(shù)值模擬可以明顯縮短實(shí)驗(yàn)周期、降低實(shí)驗(yàn)成本。

國(guó)內(nèi)對(duì)于HRS工藝的數(shù)值模擬工作開(kāi)展得比較多[5-7]，對(duì)LMC工藝的數(shù)值模擬則比較少，近年來(lái)，國(guó)外針對(duì)LMC工藝進(jìn)行了大量的研究工作。Kermanpur等[8]使用有限元軟件ProCAST建立了三維模型，對(duì)葉片定向凝固過(guò)程中的溫度分布進(jìn)行了計(jì)算，并且使用元胞自動(dòng)機(jī)方法對(duì)凝固后的晶粒取向進(jìn)行了預(yù)測(cè)；Elliott[9]使用模擬的方法分析了LMC工藝中凝固參數(shù)對(duì)溫度梯度的影響，結(jié)果表明鑄件與模殼之間的傳熱系數(shù)是LMC工藝最敏感的參數(shù)；Miller的研究[10]表明LMC工藝制備單晶鑄件時(shí)可以采用更高的抽拉速率，因而可以獲得更細(xì)的樹(shù)枝晶組織，但是過(guò)大抽拉速率會(huì)導(dǎo)致樹(shù)枝晶的橫向生長(zhǎng)；作者在前期的工作中[11-12]研究了LMC工藝下單晶試棒以及單晶模擬件凝固過(guò)程各種凝固參數(shù)的作用與影響關(guān)系，結(jié)果表明縱向溫度梯度、溫度梯度角、固/液界面位置可作為評(píng)價(jià)定向凝固參數(shù)是否合理的有效手段。

因此，本工作利用ProCAST商業(yè)軟件模擬計(jì)算了HRS、LMC工藝下大尺寸定向結(jié)晶空心葉片凝固過(guò)程的溫度場(chǎng)的變化規(guī)律，預(yù)測(cè)了抽拉速率與保溫爐溫度對(duì)葉片凝固過(guò)程的影響，并對(duì)模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

1 實(shí)驗(yàn)與模擬方法

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為金屬研究所自主研制的大型液態(tài)金屬冷卻定向凝固設(shè)備，低熔點(diǎn)冷卻介質(zhì)為Sn。制備葉片所用材料為抗熱腐蝕定向高溫合金DZ411，合金的名義成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為：Cr 15,Ta 4, Co 11, W 3, Mo 2, Al 4, Ti 5, Ni余量。合金的固相線和液相線溫度分別為1218℃和1319℃。本實(shí)驗(yàn)所制備的葉片為F級(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)用大型定向結(jié)晶空心葉片，葉片毛坯長(zhǎng)約500mm，重約20kg，內(nèi)部具有復(fù)雜的氣體冷卻通道，葉片形狀復(fù)雜，葉片不同部位壁厚差異較大，這些都是大型葉片制備的難點(diǎn)。

大型定向結(jié)晶空心葉片制備完成后，經(jīng)過(guò)切割、脫除型芯后，進(jìn)行宏觀腐蝕觀察宏觀晶粒組織。利用線切割自葉尖按10，30，60，100，160，200，240，300mm和360mm切割橫截面，金相腐蝕后采用Axio Vert A1型號(hào)金相顯微鏡(OM)觀察枝晶組織，按照下式統(tǒng)計(jì)一次枝晶間距λ1：

(1)

式中：np為單位面積內(nèi)的枝晶數(shù)目。

晶粒平均直徑D由下式計(jì)算：

D=2(s/π)-1/2

(2)

式中：s為晶粒的平均面積。

1.2 模擬方法

模擬計(jì)算使用ProCAST商業(yè)軟件，利用文獻(xiàn)[12]中的邊界條件。模擬所用的工藝參數(shù)如表1所示。

分別計(jì)算HRS和LMC工藝下不同凝固參數(shù)時(shí)，固/液界面的形狀、縱向溫度梯度、冷卻速率，通過(guò)對(duì)比以上參數(shù)優(yōu)化定向凝固工藝后，計(jì)算了一次枝晶間距λ1以及晶粒組織，并與實(shí)際葉片進(jìn)行了對(duì)比。一次枝晶間距的計(jì)算方法按照Hunt[13]和Kurz等[14]提出的計(jì)算模型：

λ1=A1G-1/2V-1/4

(3)

表1 模擬所用的工藝參數(shù)Table 1 Process parameters used in simulation

式中：A1是與材料有關(guān)的常數(shù)；G為縱向溫度梯度；V為凝固速率。實(shí)際凝固過(guò)程中，凝固速率并不等于抽拉速率，因此均采用實(shí)際凝固速率而非抽拉速率。

2 結(jié)果與討論

2.1 抽拉速率對(duì)重型燃機(jī)葉片凝固過(guò)程的影響

2.1.1 抽拉速率對(duì)固/液界面形狀的影響

HRS工藝下，其他工藝參數(shù)固定，抽拉速率不同時(shí)，葉片凝固過(guò)程固/液(solid/liquid, S/L)界面形狀以及其與固定擋板的位置關(guān)系如圖1所示。當(dāng)抽拉速率為3mm/min時(shí)，距葉片起晶段110mm處的固/液界面較為平直，位于隔熱擋板附近，隨著凝固的進(jìn)行，當(dāng)固/液界面到達(dá)180mm時(shí)，固/液界面逐漸下移，曲率增加，糊狀區(qū)寬度增大，尤其是在葉片的延伸段，此處壁厚最大約為40mm，固/液界面位于隔熱擋板以下5cm處，糊狀區(qū)寬度約為3.8cm。抽拉速率增加到5mm/min時(shí)，葉片相同位置的固/液界面曲率更大，位置下移，在葉片的延伸段，固/液界面位于隔熱擋板以下8cm處，糊狀區(qū)寬度約為5cm。

圖1 HRS工藝下，不同抽拉速率時(shí)，葉片110mm(1),180mm(2),240mm(3)和280mm(4)位置處的固/液界面形態(tài)(a) 3mm/min;(b) 5mm/minFig.1 Solid/liquid interface shapes at 110mm(1),180mm(2),240mm(3) and 280mm(4) from the starter with different withdrawal velocities for HRS (a) 3mm/min;(b) 5mm/min

LMC工藝下，不同抽拉速率時(shí)，葉片相同位置固/液界面的形狀以及其與Sn液面的位置關(guān)系如圖2所示。

由圖2可以看出，整個(gè)抽拉速率范圍內(nèi)，LMC工藝下葉片的糊狀區(qū)寬度明顯小于HRS工藝下葉片的糊狀區(qū)寬度。抽拉速率為5mm/min時(shí)，葉身形狀尺寸對(duì)固/液界面的影響很小,在葉片的葉身以及延伸段處，固/液界面都比較平直(圖2(a))，但是低的抽拉速率導(dǎo)致葉片凝固時(shí)間增加(>150min)，對(duì)型殼以及陶瓷型芯的強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。隨著抽拉速率的升高(10mm/min)，固/液界面逐漸下移(相對(duì)Sn液面位置)，曲率逐漸增加，尤其是延伸段的固/液界面形狀彎曲更加明顯(圖2(b))。抽拉速率為12mm/min時(shí)，葉片整個(gè)凝固過(guò)程中，葉身形狀成為固/液界面形狀制約因素，由于葉片尾緣處壁厚很小，固/液界面相對(duì)Sn液面位置最高；而葉身壁厚最大處(葉形曲率最大處)，固/液界面相對(duì)Sn液面位置最低(圖2(c))，導(dǎo)致固/液界面彎曲嚴(yán)重，使得晶粒組織收斂生長(zhǎng)，晶粒的生長(zhǎng)方向偏離抽拉方向角度變大。

圖2 LMC工藝下，不同抽拉速率時(shí)，葉片110mm(1),180mm(2),240mm(3)和280mm(4)處的固/液界面形態(tài)(a)5mm/min;(b)10mm/min;(c)12mm/minFig.2 Solid/liquid interface shapes at 110mm(1),180mm(2),240mm(3) and 280mm(4) from the starter with different withdrawal velocities for LMC (a)5mm/min;(b)10mm/min;(c)12mm/min

由文獻(xiàn)[15]可知，彎曲的固/液界面會(huì)導(dǎo)致晶粒的收斂生長(zhǎng)，導(dǎo)致晶粒〈001〉取向偏離葉片生長(zhǎng)方向。晶粒的生長(zhǎng)方向始終垂直于固/液界面：當(dāng)固/液界面呈凸面狀時(shí)，晶粒發(fā)散生長(zhǎng)，當(dāng)固/液界面呈凹面狀時(shí)，晶粒收斂生長(zhǎng)；平直的固/液界面，有利于提高定向柱晶的質(zhì)量。由上述模擬結(jié)果可知，HRS工藝下抽拉速率為3mm/min時(shí)，葉片的葉身部位固/液界面相對(duì)平直。為獲得合格的晶粒組織，在厚大的延伸段部位要想獲得平直的固/液界面必須降低抽拉速率，但是當(dāng)抽拉速率為1mm/min時(shí)，整個(gè)葉片的凝固時(shí)間為450min，這將增加陶瓷型芯蠕變變形與斷裂的概率，加劇合金液與型殼、型芯發(fā)生反應(yīng)。

LMC工藝下，當(dāng)抽拉速率為10mm/min時(shí)，葉身的固/液界面仍保持相對(duì)平直，因而可以顯著地縮短葉片凝固時(shí)間，有利于減小陶瓷型芯變形和型殼開(kāi)裂，減小鑄件的成分偏析。文獻(xiàn)[16]報(bào)道的結(jié)果與我們的計(jì)算模擬結(jié)果相似：利用HRS工藝制備長(zhǎng)750mm的燃機(jī)葉片，抽拉速率為0.85～2.5mm/min時(shí)，凝固過(guò)程需要5～15h，而利用LMC工藝制備該燃機(jī)葉片時(shí)，抽拉速率可以提高到6.8mm/min，凝固時(shí)間小于2h。

2.1.2 抽拉速率對(duì)縱向溫度梯度的影響

在鑄件的定向凝固過(guò)程中，抽拉速率不當(dāng)時(shí)，容易出現(xiàn)固/液界面的彎曲，產(chǎn)生橫向溫度梯度(GL)，此時(shí)溫度梯度G主要由橫向溫度梯度GL與縱向溫度梯度GA組成。由于橫向溫度梯度不利于定向柱晶的生長(zhǎng)，因此考察縱向溫度梯度GA可更準(zhǔn)確的定量?jī)?yōu)化定向凝固工藝參數(shù)。計(jì)算的不同工藝下葉片的縱向溫度梯度如圖3所示。

圖3 不同工藝下葉片的縱向溫度梯度Fig.3 Axial temperature gradients of blade via different processes

HRS工藝下，在整個(gè)抽拉速率范圍內(nèi)，葉身的平均縱向溫度梯度約為23℃/cm，與文獻(xiàn)[16]報(bào)道的HRS工藝下類似厚度鑄件的平均溫度梯度(20℃/cm)接近。LMC工藝下不同抽拉速率時(shí)，重型燃機(jī)葉片的平均溫度梯度為60℃/cm，遠(yuǎn)高于HRS工藝下的縱向溫度梯度。

2.1.3 抽拉速率對(duì)冷卻速率的影響

HRS工藝下，在距離葉片起晶段110，180，240mm和280mm橫截面葉片中心位置，不同抽拉速率時(shí)的冷卻速率如圖4所示。當(dāng)抽拉速率恒定時(shí)，隨著高度的增加，冷卻速率不斷下降；不同抽拉速率時(shí)，冷卻速率隨著抽拉速率的增加而不斷增大，但是抽拉速率的增加，會(huì)使糊狀區(qū)寬度增加，縱向溫度梯度減小，固/液界面的曲率增加，不利于定向組織的生長(zhǎng)。整個(gè)抽拉速率范圍內(nèi)葉片的冷卻速率都很低，最大約為0.16℃/s，比文獻(xiàn)[10]報(bào)道的HRS工藝下相同尺寸鑄件的冷卻速率(0.05～0.10℃/s)略高。

圖4 HRS工藝下抽拉速率對(duì)葉片冷卻速率的影響Fig.4 Effects of withdrawal rates on the cooling rate of blade

由于LMC工藝采用了液態(tài)金屬錫作為冷卻介質(zhì)，定向凝固過(guò)程中鑄件的熱量始終依靠液態(tài)金屬錫的熱傳導(dǎo)被帶走。通過(guò)對(duì)不同抽拉速率下大型定向葉片的冷卻速率進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn)，隨著抽拉速率的提高，冷卻速率增大。在整個(gè)抽拉速率范圍內(nèi)，LMC工藝下的冷卻速率為0.3～2.00℃/s；在葉片前緣、尾緣由于壁厚較小，因而獲得了更高的冷卻速率[12]。研究表明冷卻速率的大小與大尺寸鑄件的雀斑缺陷密切相關(guān)，高的冷卻速率有利于消除雀斑缺陷[17]。

2.2 保溫爐溫度對(duì)重型燃機(jī)葉片凝固過(guò)程的影響

圖5為HRS以及LMC工藝下，保溫爐溫度對(duì)葉身1/2高度處固/液界面形態(tài)的影響，可以看出HRS工藝下(v=3mm/min)固/液界面寬度受保溫爐溫度的影響很大，隨著保溫爐溫度的升高糊狀區(qū)寬度減小，有利于提高鑄件的溫度梯度，但是固/液界面位置不斷下降。當(dāng)保溫爐溫度為1520℃時(shí)，對(duì)于該尺寸的燃機(jī)葉片來(lái)說(shuō)，固/液界面已經(jīng)全部位于隔熱擋板以下，將不利于晶粒的定向生長(zhǎng)。固/液界面的形狀受保溫爐溫度的影響很小，當(dāng)保溫溫度從1480℃升高到1520℃時(shí)，固/液界面形狀基本沒(méi)有變化。

LMC工藝下(v=5mm/min)，固/液界面隨保溫爐變化的規(guī)律與HRS類似，但是在保溫爐溫度從1480℃變化到1520℃時(shí)，固/液界面寬度都遠(yuǎn)小于HRS工藝下固/液界面的寬度，因而可以獲得更高的溫度梯度，且固/液界面全部位于Sn液面上方, 有利于晶粒的定向生長(zhǎng)。這與文獻(xiàn)[16]中得出的保溫爐溫度對(duì)凝固過(guò)程的影響結(jié)論一致。

不同保溫爐溫度時(shí)，HRS以及LMC工藝下葉片葉身1/2高度處，表面中心位置點(diǎn)的縱向溫度梯度隨保溫爐溫度的變化如圖6所示。由圖6可以看出隨著保溫爐溫度的增加，兩種工藝條件下縱向溫度梯度均增加。保溫爐溫度從1440℃增加到1520℃的過(guò)程中，LMC工藝下縱向溫度梯度從60℃/cm增加到83℃/cm，高于HRS工藝下的17℃/cm到22℃/cm。但是過(guò)高的保溫爐溫度可導(dǎo)致高溫下陶瓷型芯的蠕變以及斷裂、陶瓷型殼的裂紋、型殼和陶芯與合金液的反應(yīng)等問(wèn)題[18]。而LMC工藝下，保溫爐溫度在1440℃時(shí)的溫度梯度也高于HRS工藝下保溫爐溫度在1520℃時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度梯度，因此對(duì)于LMC工藝來(lái)說(shuō)，采用較低的保溫爐溫度仍可保證實(shí)現(xiàn)大型葉片定向凝固所需的溫度梯度。

圖5 不同工藝下，保溫爐溫度為1480℃(1)，1500℃(2)和1520℃(3)時(shí)固/液界面的形狀(a) HRS；(b) LMCFig.5 Solid/liquid interface shapes for different processes 1480℃(1), 1500℃(2) and 1520℃(3)(a)HRS;(b)LMC

表2 保溫爐溫度對(duì)冷卻速率的影響Table 2 Effect of heat temperature on the cooling rate

計(jì)算的LMC和HRS工藝下保溫爐溫度對(duì)葉片榫頭厚大部位冷卻速率的影響如表2所示，隨著保溫爐溫度的降低，兩種工藝下葉片的冷卻速率均降低，但LMC工藝仍保持較高的冷卻速率：保溫爐溫度為1480℃時(shí)，LMC工藝下葉片的冷卻速率為0.53℃/s，而HRS工藝下葉片的冷卻速率僅為0.07℃/s。

2.3 模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

根據(jù)上述數(shù)值模擬結(jié)果可知，當(dāng)凝固參數(shù)不當(dāng)時(shí)，固/液界面彎曲，在橫截面積突變處極易導(dǎo)致雜晶的形核與長(zhǎng)大，雜晶長(zhǎng)大可能會(huì)阻礙原始定向晶粒的生長(zhǎng)。

圖7 模擬(a)以及實(shí)驗(yàn)(b)所得到的葉片緣板處的晶粒組織Fig.7 Simulated (a) and experimental (b) result of grain structure at the platform

按照優(yōu)化工藝后的參數(shù)，LMC工藝下模擬與實(shí)驗(yàn)制備的燃機(jī)葉片緣板處的晶粒組織如圖7所示。模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，在燃機(jī)葉片緣板的四周出現(xiàn)了新晶粒的形核與長(zhǎng)大，但是并沒(méi)有阻礙原始定向組織的生長(zhǎng)。

HRS與LMC工藝下，實(shí)驗(yàn)制備的重燃葉片的典型枝晶組織如圖8所示。圖8中圓點(diǎn)為一次枝晶干位置。由圖8可以看出，HRS工藝下重燃葉片從葉身到榫頭的樹(shù)枝晶都非常粗大，三次枝晶很發(fā)達(dá)，一次枝晶間距很大；而LMC工藝顯著提高了溫度梯度與冷卻速率，利用該工藝制備的燃機(jī)葉片一次枝晶間距明顯小于HRS工藝制備的燃機(jī)葉片，從葉身到榫頭，一次枝晶間距從180μm增加到300μm，葉身存在極少量的三次枝晶，即使在榫頭厚大部位三次枝晶數(shù)量也很少且不發(fā)達(dá)。

圖8 不同工藝下葉身(1)榫頭(2)的典型枝晶組織 (a)HRS；(b)LMC Fig.8 Dendrites structure in the airfoil (1) dovetail (2) of the blade for different process (a)HRS;(b)LMC

圖9為計(jì)算得到的重型燃機(jī)葉片不同部位的一次枝晶間距與實(shí)際測(cè)量值的對(duì)比。由圖9可知，一次枝晶間距的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好，模擬和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均表明LMC工藝下，一次枝晶間距在180～300μm之間，明顯小于HRS工藝制備的重型燃機(jī)葉片的一次枝晶間距(380～550μm)。

圖9 葉片PDAS的LMC工藝模擬(LMC-M)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果(LMC-E)與HRS工藝實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比Fig.9 Comparison of simulated (LMC-M) and experimental (LMC-E) PDASs by LMC with experimental PDAS by HRS

3 結(jié)論

(1)利用LMC工藝制備燃機(jī)葉片時(shí)，可以獲得更加平直的固/液界面形狀，更高的溫度梯度與冷卻速率。

(2)LMC工藝下，即使采用低的保溫爐溫度仍可保證葉片獲得高的溫度梯度與冷卻速率。

(3)模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明：與HRS工藝相比，利用LMC工藝制備的燃機(jī)葉片枝晶組織顯著細(xì)化(180～300μm)。

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