浅谈数值模拟技术在高温合金熔模精密铸造中的应用进展

史艳莉

西安交通大学城市学院，陕西 西安 710018

高温合金熔模的铸造主要用于航空和工业系统。在航空以及工业的发动机制造中，需要众多繁杂的配件，这些部件集成后重量轻，结构高效。高温合金熔模铸造变得越来越复杂，规模越来越大，精度越来越高。投资铸造一般包括制芯、压蜡、制壳、脱蜡、铸造、脱壳、打磨门、机加、检验等工艺流程。在铸造的流程中存在复杂性、不稳定性等特点，而如果相关技术控制不准确，就会出现构造的粗拙、弯曲、裂缝等瑕疵，从而增加工程量，减缓工程的进度。因此，在进行高温合金熔模铸造的过程中，经常需要进行多次的实验的过程，检验生产的质量等，具有生产时间长、成本高等特点[1]。近年来，为了减少工艺改进试验次数，降低生产的成本和周期，各种模拟技术和商业软件应运而生，并且在高温合金的熔模铸造得到了检验，开始进一步投入生产。

1 多晶熔模精密铸造数值模拟

当前多晶熔模精密铸造数值模拟技术可以对温度场、流场和应力场进行计算，对收缩、热裂纹等缺陷进行预测以及显示出微小内部结构的变化过程。该方法已广泛应用于复杂高温合金多晶精铸工艺的评价和优化。[2]

1.1 温度场模拟与收缩缺陷预测

目前商业模拟软件在温度场的模拟和收缩预测等方面的开发相对成熟。American Metal Foundry公司应用Procast软件将产品的失效率从25%降至3%，并取得了很大的效益[3]。沈阳黎明发动机厂进行了投资的Procast软件模拟铸造过程中的K4169大口径薄壁复杂涡轮罩，预测收缩和收缩缺陷的分布，并进行实验的验证，最后采用优化和改进的工艺。该方案取得了预期的效果显著消除了缺陷。北京航空材料研究所还利用Procast软件优化了发动机K403火箭发射罩的铸造工艺，有效地消除了收缩和孔隙率[4]。此外，沈阳黎明发动机厂还利用该软件为K4104重型燃气轮机主机配备了复合空心。

1.2 应力场模拟，热裂纹和变形预测

在庞大的多晶熔模铸件中，特别在具有“薄”特点的多晶融模铸件中，对于铸件裂开以及铸件变形很难进行人工的精准控制[5]。所以应力场模拟在多晶融模铸件中对融模铸件的开裂以及变形情况发挥着至关重要的作用。

1.3 微观组织模拟与预测

铸件通常是树枝状或柱状晶体，并且在铸件的使用过程中容易产生和发展疲劳裂纹，因此控制铸件的晶粒尺寸和微观结构尤为重要。近年来，基于温度场的仿真计算方法，通过试验对K35镍基高温合金涡轮叶片铸件的晶粒尺寸和二次枝晶间距进行了模拟和验证[6]。王鹏飞采用CAFE方法模拟了K4202高温合金在细晶粒铸造过程中的显微组织。仿真和实验结果表明，铸造处于低过热状态，虽然现有模型和算法得到的结果与实验结果吻合良好，但仅限于实验室研究，仅适用于铸件的局部区域，不能直接应用于实际的铸件生产[7]。

2 高温合金定向凝固及单晶制备过程数值模拟

定向凝固或单晶超合金已广泛用于航空发动机涡轮叶片、导叶和重型燃气涡轮叶片。由于定向凝固过程的复杂性和影响定向凝固过程的诸多因素，数值模拟技术已逐渐应用于该领域。

2.1 定向凝固及边界条件

目前，我国高温合金材料参数的研究经验以及过程比较单薄，特别是在缺乏高温区域的情况之下，根据实际材料和工艺实验测量的热物理参数和界面传热系数很少，一些现有的数据是分散的，不能公开获得[8]。早在1978年，美国亚利桑那大学就提供了一个数据库，从界面和边界条件参数两个方面，通过正交试验和反演计算研究了边界参数对定向凝固模拟中凝固温度曲线的影响。

2.2 单晶高温合金定向凝固数值模拟

20世纪80年代后，国内外对于定向凝固数值模拟的技术进行了深入的研究，并且取得关键性的进展。单晶高温合金定向凝固数值模拟已经从简单的温度场模拟转变成考虑拉拔速度和辐射散热等因素的结构模拟[9]。近年来，大量学者、高校在定向数值模拟方面做了大量的研究工作。鉴于此，北京航空材料研究院进行了DD6单晶工作叶片和导叶的定向凝固温度场、温度梯度和凝固界面单晶高温合金定向凝固数值模拟，并进行了实验验证。CAFE方法应用于沈阳黎明发动机厂在单晶导叶定向凝固过程中模拟晶粒的竞争生长机制和晶粒取向控制方法，准确预测异质缺陷的位置[10]。

3 结语

目前数值模拟技术已广泛应用于高温合金多晶熔模铸造和单晶定向凝固技术的研究。温度场模拟和收缩孔缺陷预测技术相对成熟，而铸造应力模拟和微观结构模拟尚未应用于实际生产过程中，需要进一步研究和改进。合金缺乏热物理性质和不准确的边界条件，高温环境下的壳和核心材料仍然是制约数值模拟技术发挥更大作用的主要因素。未来应对系统和综合性地测试典型高温合金的高温物理参数，建立和完善物理参数和边界条件数据库，为更好地应用数值模拟提供依据。归根结底模拟只是一个工具，其最终目标是指导实际生产。企业应根据实际情况制定模拟过程和模拟结果分析的技术标准，可以实现仿真过程的标准化和固化，积累仿真应用经验，使仿真技术真正实用。