超快速凝固法（SHRS）变抽拉速度条件下制备单晶空心涡轮叶片的研究

During the directional solidificatiion of HRS, the inefficient heat transfer between the casting and chill plate lead to lower thermal gradients and the occurrence of processs problems, such as low yeild and stray grains. In this reserach, a new directional solidification named Super High Rate Solidification(SHRS) is proposed based on HRS, wihch could enhancing the cooling rate and thermal gradient by eliminating the interfacial air gap between the casting and chill plate. Firstly, to develop the variable speed pulling technology of single crystal blade，the mathematical model of the blade during SHRS is established and the influence of the extraction rate on temperature gradient at the solid-liquid interface front and solid-liquid two-phase zone is stuied. Secondly, to optimize the process, the microstructure evolution and mechanism of superalloy during SHRS is studied. Finaly, the defects formation mechanism in SHRS directional solidification process is studied and the solution is proposed.

在HRS定向凝固制备单晶叶片的过程中，随着凝固的进行通过激冷板进行的热传递效率越来越低，导致固—液界面前沿温度梯度不断降低，并最终产生冶金缺陷和组织缺陷。本课题在HRS定向凝固法的基础上，提出一种新的定向凝固法—超快速凝固法（SHRS）。SHRS法结合了LMC和籽晶法的优点，通过消除了铸件底部和激冷板之间的空气间隙，改变了定向凝固过程中的传热方式，极大地提高铸件的冷却速度和固—液界面前沿的温度梯度。本课题首先研究SHRS定向凝固过程中铸件的温度场和流场变化，揭示抽拉速度对单晶叶片界面突变处固—液界面前沿温度梯度、固—液界面前沿固液两相区的影响规律，为发展单晶叶片变速抽拉稳恒界面生长工艺奠定理论基础；其次研究SHRS定向凝固过程中高温合金的组织演变规律和机理，为工艺的优化提供理论基础；最后研究SHRS定向凝固过程中缺陷的形成机制，并提出解决方法。

本项目针对航空发动机单晶涡轮叶片的制备技术，综合应用金相分析、EBSD、元胞自动机、多相流分析等技术，从异质基底引晶、螺旋选晶、叶身部分复杂几何结构单晶生长控制，以及缺陷形成机理与调控等方面展开研究，取得以下重要结论：对采用籽晶采用GaIn合金涂敷可以有效降低界面热阻，从而提高引晶阶段的冷却效果；螺旋选晶阶段遵循空间竞争机理，但本项目发明的改良籽晶法可以有效的避免引晶杂晶和取向偏离出现；针对叶身、榫头等部位的复杂几何形状容易形成生长杂晶缺陷，本项目提出了工艺反算和变拉速控制技术可以有效的避免过冷区的形成，从而抑制生长杂晶；所开发的基于元胞自动机和多相流模型的单晶叶片组织模拟技术能有效的预测雀斑的形成，其分析发现雀斑形成受到热流方向、温度梯度和冷速等的影响。上述方法的综合应用可以有效的控制单晶叶片制备过程组织缺陷的形成。该技术已形成系统的单晶叶片制备方法并得到了小规模验证。项目的实施提出了具有自主知识产权的单晶叶片制备系统方法，为摆脱国外的高温合金及单晶叶片生产技术限制提供了解决方案。