镍基高温合金涡轮叶片定向凝固过程中热-力-位移的模拟与尺寸精度控制

Low accuracy of the blade dimesions resulted from the thermal deformation during directional solidification is one of the major reasons that lead to low productivity of single crystal (SX) superalloy turbine blade. This project will investigate the thermo-stress-dispacement coupling interaction of SX blade during directional solidification by modeling and simulation. Mechanical behavior of SX superalloy and ceramic mold at high temperature will be studied experimentally to get the constitutive models and the mechnical interaction between them. Then the simple frame-shaped casting will be designed and used to validate and improve the proposed constitutive models and mechanical boundary conditions between SX superalloy and ceramic mold shell. Based on the improved constitutive models and the proper setting of the mechanical boundary conditions, the thermal stress and strain of the SX turbine blade will be simulated to study the thermo-stress-displacement interaction and to optimize the directional solidification process. This will help to find the controlling method of the size accuracy of the blade. Through the precise prediction of the anti-deformation of the blade during the directional solidification, it will guide the design of the metal mold of the blade.

我国航空发动机单晶高温合金涡轮叶片合格率较低，与国际先进水平尚有较大差距，主要原因之一为叶片变形导致尺寸精度低。为解决这个问题，本项目将对单晶高温合金在定向凝固过程中的热-力-位移的耦合作用开展数值模拟研究。首先要采用实验的方法研究单晶高温合金和陶瓷型壳材料的高温力学性能、本构模型、以及二者之间的力学相互作用和界面换热系数，以便建立准确的力学、传热边界条件。其次，将采用简单的框形试件，通过试验与数值模拟相结合，研究铸件在熔模铸造过程中的热应力和热变形，对所建立的力学本构模型进行验证和改进。最后，根据上述所建立的单晶合金和陶瓷材料的高温力学本构模型、二者的力学相互作用及力学边界条件设置等，对叶片在定向凝固过程中热应力和热变形开展数值模拟研究，揭示热-力-位移的耦合作用机制，优化定向凝固工艺，提出叶片尺寸精度的控制策略。通过准确预测叶片在定向凝固过程中所需要的反变形量，为模具设计提供精确指导。

我国航空发动机单晶高温合金涡轮叶片合格率较低，与国际先进水平尚有较大差距，主要原因之一为叶片变形导致尺寸精度低。为解决这个问题，本项目对单晶高温合金在定向凝固过程中的热-力-位移的耦合作用开展了数值模拟研究。本研究考虑单晶高温合金正交各向异性特点，建立了热弹塑性力学模型。通过测量陶瓷型芯、型壳试样的高温力学性能，研究了其高温力学行为并建立了本构模型。使用力学解析模型分析了物性参数和温度分布等因素在定向凝固过程中对单晶高温合金、型芯、型壳的应力应变影响。对力-热相互作用及边界条件进行了研究，采用自行开发的定向凝固过程温度场模拟软件和ABAQUS通用有限元力学模拟软件相结合，对应力框定向凝固过程开展了数值模拟研究，揭示了定向凝固过程中热、力、位移的相互作用。对单晶高温合金叶片的温度场和应力场进行了耦合模拟。采用热力耦合得到了单晶高温合金叶片定向凝固过程的应力应变分布。分析了定向凝固过程温度场和应力场，并预测了可能出现的铸造缺陷。