定向凝固单晶涡轮叶片的再结晶数值模拟

单晶涡轮叶片的再结晶缺陷导致叶片不合格，影响了叶片的交付。本项目通过数值模拟和实验研究相结合的方法，对单晶高温合金叶片在热处理过程中产生的再结晶开展研究。采用流变学模型和热弹塑性模型对单晶叶片定向凝固过程的热应力进行数值模拟，采用晶体塑性有限元对变形储能分布进行预测。基于变形储能分布，建立热处理过程中再结晶的形核与长大模型，采用改进的Cellular Automaton方法模拟再结晶。开发具有自主知识产权的单晶叶片再结晶数值模拟软件，研究残余应力及变形对再结晶形成的影响，研究再结晶的形成过程、形成机理，并揭示残余变形对再结晶形成的作用规律。这对于提高我国单晶叶片的质量、提高我国先进航空发动机的水平具有重要的国防价值，对于我们理解单晶高温合金叶片的再结晶现象也具有重要的理论意义。

在单晶高温合金叶片的制造过程中，经常发生再结晶现象，导致叶片合格率低，严重影响了叶片的交付。通过数值模拟和实验研究相结合的方法，对单晶高温合金叶片在热处理过程中产生的再结晶开展研究，对于消除制造过程中产生的再结晶缺陷、提高我国单晶叶片的质量具有重要的国防价值，对于我们深入理解单晶高温合金叶片的再结晶现象也具有重要的理论意义。.本项目在国内外率先开展了单晶高温合金再结晶的建模与仿真研究工作，并开展了再结晶机理与数理建模研究。主要取得了如下创新成果：.(1)考虑单晶正交各向异性特点，建立了热弹塑性模型，并通过相关实验数据验证了模型的有效性。基于ABAQUS通用有限元软件，采用热力耦合得到单晶高温合金定向凝固过程的应力应变分布，可以半定量预测叶片铸件中再结晶组织的形成。.(2)研究了热处理和变形过程中再结晶的机理。研究发现，晶向、铸态枝晶组织、变形温度及塑性变形量都会影响单晶高温合金的再结晶行为。晶向通过影响塑性变形的分布影响再结晶行为；在较低温度下，再结晶首先在枝晶干区域迅速形核长大，在枝晶间通过大量孪晶的方式形核长大，最终枝晶间形成细小的晶粒；共晶组织区域在小变形量条件下阻碍再结晶晶界的推移，而在大变形量条件下优先形核长大。在相同塑性变形的条件下，变形温度对再结晶行为有较大影响，980C左右变形的样品极易发生再结晶。.(3)考虑了铸态枝晶组织对再结晶的影响，动力学参数综合考虑扩散及第二相粒子溶解等因素，建立了单晶高温合金再结晶微观组织演变的CA模型。模型可以较好地预测出再结晶过程中出现的枝晶状的再结晶组织及最终组织中的不规则晶界。