（北京科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083）

高溫合金熱強(qiáng)性高、承溫能力強(qiáng)，具有良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能，良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能，廣泛用于生產(chǎn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端部件[1—2]。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)不斷地更新?lián)Q代，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的要求促使發(fā)動(dòng)機(jī)向著輕量化、精密化與薄壁化方向發(fā)展，渦輪作為航空航天、燃?xì)廨啓C(jī)和汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，也受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注。

整體渦輪不同于傳統(tǒng)的分離榫槽結(jié)構(gòu)，而是將渦輪的葉片和輪盤設(shè)計(jì)成一個(gè)整體，極大簡(jiǎn)化了渦輪結(jié)構(gòu)，并且避免了榫頭和榫槽的裝配磨損與裝配應(yīng)力，在提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作壽命和可靠性上面起到重要作用[3]。國外在20世紀(jì)60年代便開始了整體渦輪的鑄造工藝研究，美國在整鑄渦輪制備方面申請(qǐng)了一系列與設(shè)備裝置及工藝技術(shù)相關(guān)的專利。國內(nèi)在整體渦輪鑄造成形方面的研究起步較晚，但也取得了長(zhǎng)足進(jìn)步[4—6]。

整體渦輪具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁厚薄等特點(diǎn)，在精密鑄造成形過程中很容易出現(xiàn)葉片欠鑄、縮孔、縮松、變形和熱裂等缺陷，極大降低了渦輪成品率[7—11]。渦輪質(zhì)量受到渦輪結(jié)構(gòu)、工藝設(shè)計(jì)和實(shí)際生產(chǎn)過程等多方面因素的影響，采用傳統(tǒng)試錯(cuò)法必將耗費(fèi)大量人力物力，因此，將數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用于整鑄渦輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化上，在提高生產(chǎn)效率和降低研發(fā)成本上面具有重要意義。下面將綜述數(shù)值模擬技術(shù)在渦輪精密鑄造成形過程中的應(yīng)用現(xiàn)狀。

1 渦輪數(shù)值模擬前處理

鑄造數(shù)值模擬前處理過程需要研究人員耗費(fèi)大量時(shí)間精力，前處理一般包括實(shí)體建模與網(wǎng)格劃分兩個(gè)環(huán)節(jié)，建模精度影響后續(xù)網(wǎng)格劃分質(zhì)量，網(wǎng)格劃分質(zhì)量直接影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。因?yàn)殍T造模擬軟件自帶的建模模塊、網(wǎng)格劃分模塊和材料數(shù)據(jù)庫信息可能無法滿足復(fù)雜鑄件數(shù)值模擬需求，在具體開展模擬前，還要注意圖形數(shù)據(jù)信息與有限元網(wǎng)格劃分軟件的數(shù)據(jù)傳遞，在合金材料與型殼材料熱物性參數(shù)上面也要做一定研究。

1.1 幾何造型

渦輪幾何建模是開展計(jì)算機(jī)模擬仿真的前提，模型精度直接影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。渦輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建模難度高，也會(huì)影響后續(xù)網(wǎng)格劃分的難易程度。為了保證數(shù)值模擬的順利進(jìn)行，有時(shí)候會(huì)對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，去除影響網(wǎng)格劃分的細(xì)節(jié)部分。早期采用的造型軟件有AUTOCAD、Pro/E、CADDS5和I-DEAS，輸出STL格式的文件進(jìn)行后續(xù)的網(wǎng)格離散劃分[12]。隨著鑄造軟件的不斷更新迭代，鑄造研究人員在三維實(shí)體造型軟件上選擇更多，近些年在復(fù)雜零件的幾何造型研究方面應(yīng)用較多的三維CAD軟件有UG、PRO/E和Solidworks[13—15]。

1.2 數(shù)值模擬接口研究

鑄造模擬軟件在建模與網(wǎng)格劃分上面較為薄弱，一般需要通過三維造型軟件和網(wǎng)格劃分軟件處理幾何模型后，再將三維圖形信息通過特定的接口導(dǎo)入到鑄造模擬軟件中進(jìn)行后續(xù)模擬研究。不同軟件間接受不同類型的數(shù)據(jù)文件，為了保證在鑄造模擬軟件中能夠正常顯示幾何模型，且模型細(xì)節(jié)部分不丟失，需要對(duì)幾何建模軟件與鑄造模擬軟件的接口方式進(jìn)行探討。

Huang等[16]為了提高鑄造模擬軟件ProCAST的模擬質(zhì)量，提出利用幾何造型軟件Pro/E進(jìn)行建模，再通過有限元網(wǎng)格劃分軟件HyperMesh對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后將網(wǎng)格數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入鑄造模擬軟件ProCAST中進(jìn)行后續(xù)模擬仿真研究的方法。與直接通過ProCAST鑄造模擬軟件的網(wǎng)格劃分模塊進(jìn)行網(wǎng)格離散化處理方法相比，在建模軟件Pro/E、有限元網(wǎng)格劃分軟件HyperMesh與鑄造模擬軟件ProCAST間建立聯(lián)系更能保證網(wǎng)格質(zhì)量，從而提高模擬精度。ProCAST與HyperMesh的直接接口方式如表1所示[17]。

陳平等[18]對(duì)SolidWorks與ProCAST的接口方式進(jìn)行探討，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)出整體渦輪這種復(fù)雜零件時(shí)，采用Parasolid和STEP格式更能保證后續(xù)的網(wǎng)格劃分質(zhì)量。表2是SolidWorks和ProCAST間的可用接口方式。袁興茂等[19]通過SolidWorks建模后采用通用接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)現(xiàn)鑄造模擬軟件中打開的三維模型出現(xiàn)了裝配位置改變的問題，而經(jīng)過Geomesh優(yōu)化處理后，能夠保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確讀取，并用一個(gè)砂型鑄造實(shí)例驗(yàn)證了模式的可行性。

開展整鑄渦輪的數(shù)值模擬研究時(shí)，在建模軟件中創(chuàng)建渦輪實(shí)體模型后直接進(jìn)行網(wǎng)格劃分，再將仿真文件導(dǎo)入鑄造模擬軟件中可在一定程度上解決文件格式不兼容的問題。王旭東[20]對(duì)比分析ProCAST的.sm表面網(wǎng)格文件和Pro/E的表面網(wǎng)格數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格文件的數(shù)據(jù)內(nèi)容相似，但數(shù)據(jù)格式不同，因此便通過自行編寫的PROETOCAST數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化程序進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并用一個(gè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄件驗(yàn)證數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化的可行性。蓋其東等[21]開展UG與ProCAST的接口方式研究，提出通過UG仿真模塊的Ideas unv求解器進(jìn)行網(wǎng)格劃分，再將網(wǎng)格數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入到鑄造模擬軟件中的傳輸方式。該方法被實(shí)際應(yīng)用到了某發(fā)動(dòng)機(jī)用整體燃?xì)鉁u輪中，在渦輪葉片網(wǎng)格劃分方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

1.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是鑄件數(shù)值模擬的重要前處理過程，網(wǎng)格數(shù)量影響模擬計(jì)算時(shí)間，網(wǎng)格質(zhì)量影響數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性[22]。整體渦輪作為復(fù)雜薄壁熔模鑄件，在網(wǎng)格劃分時(shí)選用四面體有限元網(wǎng)格更為方便快捷，否則容易在模型優(yōu)化和網(wǎng)格修復(fù)上面耗費(fèi)大量時(shí)間[21]。對(duì)整體渦輪開展數(shù)值模擬研究時(shí)，澆注系統(tǒng)和渦輪鑄件一般采用不同的單元長(zhǎng)度，為了節(jié)省計(jì)算資源，減少模擬成本，渦輪的葉片與輪盤部分在網(wǎng)格劃分時(shí)也可以采用不同的單元長(zhǎng)度。圖1便是渦輪網(wǎng)格劃分示意圖，其中葉片部分單元長(zhǎng)度設(shè)定為1 mm，輪盤部分網(wǎng)格單元長(zhǎng)度設(shè)定為2 mm，鑄型在渦輪鑄件面網(wǎng)格的基礎(chǔ)上生成。

表1 ProCAST與HyperMesh直接接口方式[17]Tab.1 ProCAST and HyperMesh direct interface method

表2 SolidWorks和ProCAST間的可用接口方式[18]Tab.2 Available interface methods between SolidWorks and ProCAST

圖1 渦輪網(wǎng)格劃分Fig.1 Casting mesh and casting mould mesh of turbine

李豫川等[23]在開展渦輪熔模鑄造數(shù)值模擬研究時(shí)，將鑄件網(wǎng)格與澆注系統(tǒng)網(wǎng)格做了區(qū)分，鑄件網(wǎng)格單元長(zhǎng)度設(shè)定為2 mm，澆注系統(tǒng)網(wǎng)格單元長(zhǎng)度設(shè)定為3 mm，劃分完成后的網(wǎng)格文件能夠滿足后續(xù)模擬需求。

李維等[24]在開展燃機(jī)葉輪鑄造工藝數(shù)值模擬研究時(shí)，為了在保證模擬結(jié)果可靠性的同時(shí)節(jié)約模擬時(shí)間，便將鑄件網(wǎng)格劃分較細(xì)，澆注系統(tǒng)網(wǎng)格劃分較稀疏，其中，鑄件部分的網(wǎng)格單元長(zhǎng)度范圍為1～3 mm，澆注系統(tǒng)部分的網(wǎng)格單元長(zhǎng)度范圍為5～8 mm。

如果鑄件幾何模型具有高度對(duì)稱性，也可以對(duì)鑄件進(jìn)行等分，對(duì)部分模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分、邊界條件施加和數(shù)值模擬結(jié)果分析。Szeliga[25]對(duì)定向凝固鑄件進(jìn)行熱分析時(shí)，因?yàn)閹缀文Ｐ偷膶?duì)稱性便將其分成4份，對(duì)原有鑄件的1/4模型進(jìn)行數(shù)值模擬研究，這樣可以大大降低對(duì)計(jì)算資源的占用以及提高模擬計(jì)算效率。鑄件與澆注系統(tǒng)的空間排布方式不同，也可以根據(jù)具體情況進(jìn)行部分建模，如楊亮[26]在研究側(cè)注式渦輪熔模鑄造數(shù)值模擬時(shí)，為了減少模擬時(shí)間，便對(duì)澆注系統(tǒng)進(jìn)行了1/4建模。

1.4 材料熱物性參數(shù)計(jì)算

金屬凝固過程中固液相的熱物理性質(zhì)是鑄造模擬研究的重要數(shù)據(jù)，母合金熱物性參數(shù)和型殼熱物性參數(shù)的準(zhǔn)確性直接影響鑄件數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性[27—28]。熱物性參數(shù)一般會(huì)隨溫度改變，主要包括有固相率、密度、比熱容、潛熱和熱導(dǎo)率等，熔模鑄造型殼的熱物性參數(shù)還受到粘結(jié)劑種類與制殼工藝影響。在鑄造模擬研究中，合金材料的熱物性參數(shù)可通過不同的金屬材料計(jì)算軟件獲取，如JMatPro[29]和PANDAT[30]軟件。在鑄造模擬軟件如ProCAST中將合金成分輸入，通過給定的計(jì)算模型也可計(jì)算出特定合金的相關(guān)熱物性參數(shù)[31]。型殼材料與制備要結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，所以熱物性參數(shù)一般通過實(shí)驗(yàn)手段獲取。

2 渦輪精密成形數(shù)值模擬

為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率，渦輪朝著一體化成形方向發(fā)展，而精密鑄造成形是渦輪生產(chǎn)的典型工藝。渦輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鑄造過程中容易受制備工藝和環(huán)境因素影響，從而影響鑄件質(zhì)量，通過數(shù)值模擬軟件能對(duì)鑄造充型與凝固過程進(jìn)行全流程追蹤，便于確定缺陷成因與分布情況，以便于模擬結(jié)果指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。

2.1 充型過程數(shù)值模擬

渦輪充型方式直接影響鑄件是否存在澆不足、裹氣或者夾渣等缺陷，渦輪薄壁葉片的可鑄性也受到澆注溫度、澆注速度、模具溫度和結(jié)晶器溫度等鑄造參數(shù)的影響[32]，為了提高渦輪鑄件的質(zhì)量，可嘗試數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式來優(yōu)化渦輪的鑄造工藝。

楊亮等[26]通過鑄造模擬軟件，模擬頂注式與側(cè)注式澆注方式對(duì)增壓渦輪充型結(jié)果的影響，研究發(fā)現(xiàn)在重力作用下，頂注式與側(cè)注式澆注方式得到的渦輪鑄件均存在澆不足缺陷，但是側(cè)注式相對(duì)頂注式充型效果更好，并且發(fā)現(xiàn)提高模殼的預(yù)熱溫度能夠有效增強(qiáng)鑄件充型率。在模擬離心鑄造時(shí)，兩種澆注方式均能使金屬液充滿型腔，但縮孔、縮松缺陷無法避免。頂注式的縮松縮孔缺陷分布在渦輪中心位置，且體積相對(duì)較大，而側(cè)注式縮孔縮松缺陷分布在渦輪葉片位置，體積相對(duì)較小。

圖2 渦輪在不同模具預(yù)熱溫度下的凝固時(shí)間[8]Fig.2 Solidification time of turbine at different mold preheating temperatures

Zhao等[8]發(fā)現(xiàn)鈦合金增壓渦輪鑄件存在葉片欠鑄和表面氣孔等鑄造缺陷，便采用熔模鑄造與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法來消除缺陷。渦輪采用離心澆注，通過數(shù)值模擬對(duì)離心轉(zhuǎn)速和模具預(yù)熱溫度等鑄造參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并開展具體澆注實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工藝的合理性。型殼預(yù)熱溫度對(duì)鑄件充型結(jié)果的影響如圖2所示，由圖2可以看出，隨著型殼預(yù)熱溫度的升高，鑄件凝固時(shí)間逐漸延長(zhǎng)，也就是金屬液在完全凝固前有更多的時(shí)間充滿型腔。型殼預(yù)熱溫度升高能提高合金充型能力，但也要考慮高溫下金屬液與模具間的界面反應(yīng)，所以型殼預(yù)熱溫度選定為600 ℃。Li等[9]也通過將數(shù)值模擬與具體實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式來優(yōu)化K418B渦輪導(dǎo)向器的鑄造工藝，研究結(jié)果表明，當(dāng)澆注溫度為1540 ℃，離心速度為150 r/min時(shí)，能夠保證渦輪導(dǎo)向器充型良好。

2.2 溫度場(chǎng)數(shù)值模擬及缺陷預(yù)測(cè)

渦輪凝固過程的溫度場(chǎng)變化和金屬液收縮將直接導(dǎo)致在鑄件中形成縮孔縮松，發(fā)生在枝晶間的對(duì)流和枝晶收縮會(huì)形成微觀縮松。通過觀察渦輪凝固過程中的溫度場(chǎng)變化，并采用合適的工藝措施加以控制，有助于得到高質(zhì)量的渦輪鑄件。

分析渦輪凝固過程中的溫度場(chǎng)結(jié)果時(shí)，可以觀察是否存在孤立液相區(qū)，即存在一個(gè)液相區(qū)被糊狀區(qū)包圍，周圍是一個(gè)固體外殼[30]。孤立液相區(qū)的補(bǔ)縮通道被凝固固相截?cái)?，因后續(xù)補(bǔ)縮不足，到凝固完成后便形成縮孔縮松缺陷。普通重力澆注的渦輪鑄件最后凝固位置集中在輪盤中心，若工藝參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，在渦輪中心很容易形成大范圍的縮孔縮松，從而導(dǎo)致鑄件報(bào)廢。

魏劍輝等[33]開展IN718合金渦輪熔模鑄造過程的數(shù)值模擬，通過分析鑄件溫度場(chǎng)結(jié)果和Porosity縮孔判據(jù)來預(yù)測(cè)鑄件缺陷分布情況，發(fā)現(xiàn)在中心軸位置容易出現(xiàn)縮孔縮松缺陷。渦輪鑄件凝固過程模擬結(jié)果如圖3所示，金屬液凝固過程基本符合從鑄件到澆注系統(tǒng)的順序凝固。從圖3可以看出，當(dāng)t=125 s時(shí)渦輪葉片基本完全凝固，但當(dāng)t=55 s時(shí)內(nèi)澆道部位固相率在50%左右，影響正常補(bǔ)縮過程。渦輪中心軸處壁厚大，凝固緩慢，無法得到有效補(bǔ)縮，最終導(dǎo)致缺陷生成。為了消除鑄造缺陷，筆者將金屬液充型方式由頂注式轉(zhuǎn)變成底注式，且適當(dāng)增加了內(nèi)澆道直徑，實(shí)現(xiàn)了金屬液從鑄件到澆注系統(tǒng)的順序凝固，并通過模擬結(jié)果來改進(jìn)鑄件澆注系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)從鑄件到澆注系統(tǒng)的順序凝固，從而得到了合格的渦輪鑄件。

圖3 渦輪鑄件凝固過程模擬結(jié)果[33]Fig.3 Simulation results of solidification process of turbine castings

渦輪溫度場(chǎng)模擬結(jié)果可以用來優(yōu)化生產(chǎn)工藝，特別是希望控制葉片部分定向凝固得到柱晶或單晶。糊狀區(qū)形狀下凹或者上凸均不利于得到平行柱狀晶，需要控制糊狀區(qū)形狀平直以實(shí)現(xiàn)柱狀晶平行生長(zhǎng)，從而提高葉片的高溫力學(xué)性能[34]。渦輪葉片定向凝固數(shù)值模擬研究已經(jīng)經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，最常用的定向凝固工藝是高速凝固法（High rate solidification，HRS），但HRS工藝提供的溫度梯度有限，在定向凝固完成后可能出現(xiàn)雜晶、雀斑或者變形等鑄造缺陷[35]。之后經(jīng)過工藝改進(jìn)，發(fā)展出了液態(tài)金屬冷卻法（Liquid metal cooling，LMC），LMC工藝能實(shí)現(xiàn)更高的溫度梯度[36]，在渦輪葉片的定向凝固過程控制中得到了廣泛應(yīng)用[37—38]。

大部分商用鑄造軟件只能對(duì)鑄造過程進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)值模擬，在模擬過程中通常以多種假設(shè)為前提，也可能會(huì)對(duì)鑄件模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。為了使模擬結(jié)果更符合生產(chǎn)實(shí)際，鑄件充型凝固過程中的復(fù)雜邊界條件需要通過軟件二次開發(fā)來實(shí)現(xiàn)。唐寧等[39]為了實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬冷卻過程中動(dòng)態(tài)對(duì)流邊界條件的計(jì)算，通過C++對(duì)ProCAST軟件的溫度場(chǎng)解算程序進(jìn)行了二次開發(fā)，能夠滿足液態(tài)金屬冷卻過程的溫度場(chǎng)計(jì)算要求。

渦輪葉片定向凝固工藝研究經(jīng)歷了長(zhǎng)久的發(fā)展，但這種工藝不適合用來控制整體渦輪葉片部分的定向凝固，徑向葉片很難通過抽拉方式控制溫度梯度，如何通過數(shù)值模擬技術(shù)將渦輪徑向葉片鑄造過程中的復(fù)雜邊界條件再現(xiàn)出來，是相關(guān)學(xué)者要關(guān)注的問題。

2.3 應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬

鑄件凝固過程中存在枝晶間的對(duì)流和收縮，也就導(dǎo)致了應(yīng)力場(chǎng)的變化，應(yīng)力場(chǎng)變化會(huì)使鑄件產(chǎn)生熱裂、冷裂和變形缺陷。鑄件凝固過程應(yīng)力場(chǎng)受多種因素影響，除了通過鑄造模擬軟件開展應(yīng)力場(chǎng)分析，如ProCAST[40]、MAGMASOFT[41]與華鑄 CAE[42]等軟件，也可采用通用有限元應(yīng)力分析軟件模擬鑄造過程的應(yīng)力分布，如ANSYS和ABSQUS軟件，為了更貼近實(shí)際生產(chǎn)情況，一般要對(duì)通用軟件進(jìn)行二次開發(fā)。

渦輪的葉片和輪盤部分厚度相差較大，且葉片因?yàn)樽陨淼膹?fù)雜彎扭結(jié)構(gòu)，從葉梢到葉根處等距離截面的厚度也存在差異。渦輪在凝固過程中，葉片部分最薄處先凝固，輪盤后凝固，整體呈沿徑向自外向內(nèi)的凝固趨勢(shì)。由于渦輪不同部位凝固時(shí)間與收縮量存在差別，凝固過程中產(chǎn)生熱應(yīng)力，應(yīng)力達(dá)到一定程度很容易形成裂紋，也就降低了渦輪鑄件的合格率。

石照夏[10,43]通過ProCAST軟件對(duì)K418合金車用增壓渦輪的熔模鑄造過程開展數(shù)值模擬，分析應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果和熱裂分布情況，發(fā)現(xiàn)渦輪葉片處應(yīng)力集中嚴(yán)重，容易產(chǎn)生裂紋，并提出類似渦輪葉片這種薄壁件在澆注時(shí)應(yīng)盡量采用較高的澆注溫度，通過減緩凝固速度來減輕葉片的熱裂傾向。通過分析渦輪的應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果可以針對(duì)性地優(yōu)化鑄造工藝，得到高質(zhì)量的渦輪鑄件。

2.4 微觀組織數(shù)值模擬

渦輪不同部位微觀組織會(huì)影響渦輪鑄件的性能，合金成分、鑄型材料、澆注溫度、保溫時(shí)間與冷卻速度等鑄造參數(shù)都將影響鑄件最終的晶粒結(jié)構(gòu)。隨著高溫合金材料和渦輪制備技術(shù)的發(fā)展，得到特定組織的整鑄渦輪成為可能，為了縮短生產(chǎn)周期、節(jié)約制造成本，開展整鑄渦輪微觀組織數(shù)值模擬便十分必要。普通重力澆注得到的渦輪鑄件從中心剖開后組織分布如圖4a所示，可以看出渦輪鑄件存在明顯的混晶現(xiàn)象，并且輪盤中心處有較大面積的縮孔縮松，圖4b是渦輪的微觀組織數(shù)值模擬結(jié)果，縮孔縮松對(duì)微觀組織的影響并未模擬出來，但模擬結(jié)果對(duì)渦輪實(shí)際生產(chǎn)仍有一定的指導(dǎo)意義。

圖4 渦輪鑄件組織Fig.4 Actual microstructure and simulation microstructure of turbine castings

鑄造過程微觀組織數(shù)值模擬方法主要分為確定性模擬方法、隨機(jī)性模擬方法和相場(chǎng)法。確定性方法以凝固動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，忽略晶粒生長(zhǎng)過程中的隨機(jī)因素，主要從宏觀溫度場(chǎng)分布情況進(jìn)行固液劃分，無法預(yù)測(cè)鑄型表面等軸晶向柱狀晶轉(zhuǎn)變；隨機(jī)性方法采用概率方法研究鑄件的組織演變過程，更接近鑄件的實(shí)際生長(zhǎng)，模擬結(jié)果受網(wǎng)格劃分影響大，在預(yù)測(cè)柱狀晶形成與柱狀晶和等軸晶的轉(zhuǎn)變方面比確定性方法有優(yōu)勢(shì)；確定性方法和隨機(jī)性方法在模擬晶粒三維生長(zhǎng)方面有不足，而相場(chǎng)法在三維生長(zhǎng)模擬方面有優(yōu)勢(shì)，能夠模擬金屬凝固過程中的枝晶生長(zhǎng)[44—45]。

渦輪鑄件的微觀組織演變涉及柱狀晶形成、柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)化，考慮到計(jì)算成本和準(zhǔn)確性，對(duì)整鑄渦輪微觀組織的模擬傾向采用元胞自動(dòng)機(jī)（Cellular automaton，CA）方法。CA方法模擬微觀組織的計(jì)算效率高，靈活性強(qiáng)，且能和宏觀物理場(chǎng)的模擬方法耦合起來，使模擬結(jié)果更接近實(shí)際凝固過程。Rappaz和Gandin[46]將CA方法與有限元熱流計(jì)算耦合起來創(chuàng)建CA-Fé 模型，耦合模型在柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)化方面的模擬有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。大型商用軟件ProCAST的CAFé 模塊為凝固過程形核生長(zhǎng)模擬提供支持，有利于凝固過程微觀組織的預(yù)測(cè)分析，為渦輪葉片組織控制提供指導(dǎo)[47—49]。Yan等[50]將CA方法與有限差分法耦合起來創(chuàng)建CA-FD方法，將溶質(zhì)擴(kuò)散模型與宏觀溫度場(chǎng)結(jié)合起來預(yù)測(cè)枝晶的生長(zhǎng)行為。基于CA-FD方法，也能開展渦輪葉片的定向凝固過程分析和微觀組織模擬[51]。Lee等[52]將研究凝固過程中金屬液對(duì)流傳質(zhì)的格子玻爾茲曼（Lattice boltzmann method，LBM）方法與CA方法耦合來預(yù)測(cè)金屬液凝固過程中的枝晶形態(tài)和組織演化。

目前渦輪鑄件熔模鑄造的數(shù)值模擬研究集中于充型過程、溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)等宏觀物理場(chǎng)，微觀組織數(shù)值模擬研究方面報(bào)道不多，單純對(duì)葉片定向凝固研究的報(bào)道較多。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的不斷更新?lián)Q代，整體渦輪組織也從整體等軸晶向著葉片柱狀晶或單晶、輪盤等軸細(xì)晶的雙組織方向轉(zhuǎn)變。整體渦輪鑄造過程影響因素較多，通過鑄造模擬軟件開展組織模擬研究在成分優(yōu)化和工藝設(shè)計(jì)方面具有重要意義。

3 總結(jié)與展望

目前數(shù)值模擬技術(shù)在整鑄渦輪模擬研究上面主要集中在鑄造過程的宏觀物理場(chǎng)方面，在渦輪微觀組織形成和預(yù)測(cè)上面研究不多。鑄造用相關(guān)合金的熱力學(xué)參數(shù)大多來源于商用鑄造軟件自帶的數(shù)據(jù)庫，型殼材料熱物性參數(shù)信息不足，一般是通過實(shí)驗(yàn)具體測(cè)定。在整鑄渦輪的數(shù)值模擬方面，商用軟件無法提供特殊模擬條件設(shè)置，對(duì)軟件進(jìn)行二次開發(fā)也存在一定的困難?？傮w而言，整鑄渦輪的數(shù)值模擬結(jié)果處于定性分析階段，與實(shí)際生產(chǎn)仍有較大差距，未來整鑄渦輪的數(shù)值模擬研究主要解決以下幾個(gè)問題。

1）加強(qiáng)合金材料和型殼材料數(shù)據(jù)庫建設(shè)，在模擬過程中，模擬軟件自身的數(shù)據(jù)庫可能無法滿足模擬需求，存在部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失或是無法判定數(shù)據(jù)測(cè)試條件的情況，為了方便模擬結(jié)果對(duì)比并增強(qiáng)其與實(shí)際結(jié)合的緊密性，補(bǔ)充完善數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)并且統(tǒng)一規(guī)范具有必要性。

2）鑄造過程影響因素眾多，在鑄件的數(shù)值模擬過程中一般需要簡(jiǎn)化模型并且以一些假設(shè)為前提，這就導(dǎo)致模擬結(jié)果可能偏離實(shí)際情況。為了提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，可以在通用鑄造軟件基礎(chǔ)上通過二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜邊界條件的施加，或是自行編寫解算程序?qū)崿F(xiàn)特殊條件下的鑄造過程模擬。

3）為了更靈活地將數(shù)值模擬技術(shù)與鑄造生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合，需要側(cè)重國內(nèi)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)軟件的開發(fā)和模型創(chuàng)建，降低對(duì)國外商用軟件的依賴。