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目次
1绪论1
1.1引言.1
1.2定向凝固组织模拟研究进展.1
1.3螺旋选晶器选晶机制研究进展.2
2计算模型概述4
2.1Bridgman定向凝固模型4
2.2传热模型.5
2.3形核模型.5
2.4枝晶尖端生长动力学模型.6
2.5CAFE法耦合计算原理.7
3模拟计算方案设计8
3.1定向凝固模型设计.8
3.2螺旋选晶器模型设计.9
4引晶段对选晶结果的影响及选晶机制..11
4.1引晶段的选晶结果...11
4.2引晶段的选晶机制...14
4.3本章小结...15
5螺旋段对选晶结果的影响及选晶机制..17
5.1螺旋段的选晶结果...17
5.2螺旋段的选晶机制...19
5.3本章小结...20
结论21
致谢22
参考文献23
1 绪论 1.1 引言 目前，我国航空工业发展最大的制约因素是航空发动机的综合性能，而发动机高压涡轮叶片的高温力学性能则是发动机性能的决定性因素之一, Ni 基单晶高温合金制成的涡轮叶片在过去数十年里已被广泛应用于飞机推进系统和发电系统。与传统的铸造组织相比，单晶涡轮叶片由于不存在晶界，因此具有更高的服役温度和更优良的力学性能。目前高压涡轮叶片的单晶组织通常使用定向凝固技术获得，而定向凝固过程一般采用 Bridgman 法。这种方法对温度场控制有着非常严格的要求, 会受到例如抽拉速率、引晶方式等多种因素的影响,定向凝固的工艺路线很难寻找。如果均使用实验来研究单晶高温合金的制备工艺，则存在周期过长、成本过高的缺点。 因此, 发展数值模拟技术来对定向凝固过程中温度场、晶粒生长机制进行辅助研究成为了最佳选择。Bridgman 法是通过定向凝固技术控制晶粒定向生长，其中在模具底部需要放置一个选晶器控制晶粒生长方向和晶粒取向，并最终筛选出单一取向的晶粒，从而获得单晶组织的工件。螺旋选晶器是其中一种最为经典而且高效的选晶器，鉴于其在单晶制备技术中的重大意义，因此对螺旋选晶器在定向凝固过程中的选晶过程和机理的研究就变得尤为重要，前人对此也进行过大量的研究工作。 螺旋选晶器由引晶段和螺旋段两部分组成，传统的观点认为，引晶段是通过晶粒竞争生长筛选出接近<001>取向的晶粒[1,2]，而螺旋段通过几何形状限制枝晶生长[1,2,3]，从而随机筛选出单晶。但是螺旋段不能像引晶段那样优化晶粒取向。 本文通过ProCAST 软件中的 CAFE模型的模拟计算研究了螺旋选晶器中的选晶过程。在引晶段的模型中，通过改变引晶段的直径来研究几何形状对选晶结果的影响；在螺旋段的模型中，螺旋直径和螺旋数不变，通过改变螺距和螺旋升角来研究选晶路径对结果的影响。 此外，本文也讨论了引晶段与螺旋段不同的选晶模式。通过这些结果，我们应该能深入地理解螺旋选晶器的选晶过程，同时指导实际生产设计合适工艺参数的螺旋选晶器。
1.2 定向凝固组织模拟研究进展 使用计算机数值模拟技术来研究高温合金在定向凝固过程中的微观组织形貌是近几十年发展起来的新技术，并且取得了重大的科研成果。国际上对定向凝固过程的数值模拟研究始于上世纪 80年代，早期的模拟计算均是基于一文或二文的简单模型。Jasinski 和Naumann[4,5]先后对Bridgman定向凝固装置的一文传热模型进行了解析求解，并考虑了对流、辐射等边界条件，对固液界面的位置做出了简单的预测，随后 Overfelt[6]等人通过实验验证了 Naumann等人的研究结论的正确性。 Gandin[7]等人和Rappaz[8,9]等人率先开创了3D-CA算法, 该算法以枝晶尖包络推移理论为基础，从而可以大范围计算晶粒的分布情况。Yang[10,11]等人和Wang[12]等人模拟了定向凝固过程中高温合金的枝晶演化规律，该模型使用了元胞自动机(CA)法，从而对杂晶的产生机制提出了合理的解释。此外，有不少学者曾将定向凝固组织的数值模拟技术应用到各种实际的轮机叶片铸造工艺中。
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