鎳基高溫合金雀斑缺陷數值模擬

劉東戎 任瑩 郭二軍

摘要：為深入理解鎳基高溫合金定向凝固過程中雀斑缺陷的演化特點，基于SIMPLE（semiimplicit method br pressure linked equations）算法，采用流體力學三大方程計算模擬研究CMsX-2合金定向凝固過程中雀斑形成。借助文獻中模擬結果驗證模型，考察了幾何形狀和合金成分對鑄件凝固過程中的流場、固相分數場及溶質偏析分布的影響。模擬結果表明：帶有收縮截面的鑄件形狀易促進雀斑產生。鑄件合金成分中Al元素會促進雀斑形成，而Ta元素則對抑制雀斑形成起到了較好作用。

關鍵詞：鎳基高溫合金;雀斑;數值模擬

DOl：10.15938/j.jhust.2020.02.016

中圖分類號：TG244文獻標志碼：A 文章編號：1007-2683（2020）02-0118-07

0 引言

鎳基高溫合金作為一種非常重要的結構材料，具有優良的高溫性能，是目前制造先進航空發動機、燃氣輪機葉片、渦輪機熱端機部件的主要材料。但是高溫合金為多元合金，不同元素具有不同的密度，導致高溫合金定向凝固過程會出現雀斑、雜晶、熱裂、縮松、小角度晶界等多種凝固缺陷，這些缺陷嚴重影響高溫合金鑄件力學性能，從而導致航空發動機、燃汽輪機的工作效率和使用壽命大幅降低。其中雀斑是一種非常不容易用后處理去除或減弱的缺陷，其一旦形成將導致鑄件無法使用。雀斑是合金元素溶質富集區域，分布在枝晶間，形成取向平行于重力方向。由于腐蝕后試樣宏觀表面呈現明顯的斑點狀，故稱為雀斑。雀斑缺陷的形成受很多因素影響，例如溫度梯度、抽拉速度、合金成分、鑄件形狀等。采用實驗方法研究定向凝固過程中不同工藝參數作用下雀斑形成特點，不僅耗時費力且不能準確捕捉到雀斑形成過程以及影響雀斑的關鍵因素，但通過計算機數值模擬的方式對其進行研究能直觀觀察到雀斑在凝固過程中的形成過程，便于分析和找到抑制雀斑形成的方法，提高鑄件的各項性能。

目前國內外針對鎳基高溫合金雀斑數值模擬的研究主要集中在如下幾個方面。Beckermann等通過改變溫度梯度、凝固速度和一次枝晶臂間距研究了多組元熱溶質對流作用下雀斑形成，而后又通過模擬揭示糊狀區枝晶碎片運動和重熔對雀斑缺陷的影響。馬長文等建立了雙擴散作用下糊狀區液相流動與溶質分布的數學模型，研究了初始成分值對二元組分鑄錠中通道偏析形成和演化的影響。曹流等建立了基于有限元的LMC過程熱傳導模型，分析了抽拉速率對凝固界面和雜散晶粒形狀的影響。馬德新等通過實施工業條件下的定向凝固實驗，認為合金成分和鑄件形狀也是影響雀斑形成非常重要的因素。但目前，不同合金成分和鑄件形狀影響雀斑形成的數值模擬研究還沒有開展。不同合金成分和鑄件形狀下，凝固過程中成分場、溫度場和流場變化特點還不清楚，雀斑形成位置和形成時間與上述三場之間的內在聯系還不明晰。

本文采用宏觀流體力學三大方程，基于顯示有限差分法計算凝固過程中的動量守恒、能量守恒和溶質守恒。在動量守恒方程計算中，采用SIMPLE算法處理流動速度與壓力之間的關系，連續性方程作為收斂標準，收斂精度為10^-4，從而獲得不同時刻下的速度場和壓力場?；谑睾惴匠毯蛿抵邓惴?，采用VC^{編制宏觀偏析數值模擬程序。選取CMSX-2為模型合金，采用多元合金等效二元相圖計算方法在等效二元體系中研究了不同幾何形狀以及不同合金成分對鎳基高溫合金雀斑形成的影響。}

1 數學模型

1.1 傳輸模型

采用Voller等提出的數學模型。計算前做如下假設：

1）液相內為牛頓層流流體;

2）如果為2D計算，選取縱向中心截面為研究對象;

3）形成固相不隨流運動;

4）固液界面處局部熱一溶質平衡。

基于上述假設，質量、動量、能量和成分守恒等式表述如下：

連續性方程：其中：C_l為宏觀網格單元液相成分;D_l為液相溶質擴散系數。

1.2 SIMPLE算法

SIMPLE法（semi-implicit method for pressurelinked equations）是一種主要擁有求解不可壓流場的數值方法。它的核心是采用“猜測一修正”的過程?；舅枷耄簩τ诮o定的壓力場（它可以是假定值或是上一次迭代計算所得到的結果），求解離散形式的動量方程，得出速度場。因為壓力場是假定的或不精確的，這樣得到的速度場一般不滿足連續方程，因此，必須對給定的壓力場加以修正。修正的原則是與修正后的壓力場相對應的速度場能滿足這一迭代層次上的連續方程離散形式。據此原則，我們把由動量方程的離散形式所規定的壓力與速度的關系代人連續方程的離散形式，從而得到壓力修正方程，由壓力修正方程得出壓力修正值。根據修正后的壓力場，求得新的速度場。然后檢查速度場是否收斂，若不收斂，用修正后的壓力值作為給定的壓力場，開始下一層次的計算，直至收斂為止。

2 數值模擬結果和分析

2.1 等效二元相圖計算

本文選取第二代鎳基高溫合金CMSX-2為研究對象。合金主要成分、液相線斜率和平衡分配系數見表l。

2.2 模型驗證

本文基于Beckermann等研究結果，采取與其相同的鑄件形狀（15cm×5cm）、凝固參數（溫度梯度G和抽拉速度V）及枝晶臂間距λ₁對鑄件凝固過程雀斑形成進行模擬。“RCase”代表文獻中實施的算例。算例采用的計算參數如表4所示。

針對這四個算例（RCasel～RCase4），本文定向凝固結束時成分場模擬結果如圖1所示。

從圖1可以看出，當溫度梯度為50K/cm和抽拉速度為25cm/h時，RCasel為穩定凝固，沒有溶質通道形成，即沒有形成雀斑缺陷;當溫度梯度為35K/cm和抽拉速度為10cm/h時，隨著凝固的進行，RCase2在凝固到5100s時凝固前沿失穩，在距鑄件底部8.5cm處出現偏析通道，即形成了雀斑缺陷;當溫度梯度為20K/cm和抽拉速度為10cm/h時，RCase4中的凝固過程最不穩定，形成的雀斑程度最為嚴重形成的時間也最早，雀斑缺陷形成起始位置接近鑄件底部1.5cm處，左側通道沿鑄件壁生長到鑄件頂部。

由表4可知，文獻中同樣條件下RCasel的結果是非常穩定的，RCase2則剛剛失穩有通道形成，RCase3和RCase4都是不穩定的，RCase3的偏析比RCase2的更嚴重，RCase4則是最不穩定的。本文模擬結果與文獻計算結果趨勢一致，驗證了算法設計、程序開發和邊界條件選擇的可靠性。

2.3 幾何形狀對雀斑形成影響

本文設計了有/無截面收縮的鑄件，尺寸如圖2所示。圖中兩種形狀鑄件的二維面積相等。模擬CMSX-2合金，溫度梯度和抽拉速度分別為20K/cm和10cm/h，枝晶臂間距為400um。

定向凝固結束后成分場示于圖3.從圖3（a）中可以看到在無截面收縮的鑄件中從距鑄件底部3.75cm開始出現五條通道，并均連續生長到距鑄件底部9.5cm，繼續凝固除最左側通道沿鑄件壁一直生長到鑄件頂端外，其他四個通道出現合并和截斷現象。從左側數第四條通道在從距鑄件底部11.25cm處生長到距鑄件底部16.25cm的凝固過程中溶質濃度達到35.9%（紅色區域數值）。繼續凝固溶質濃度大的區域面積增大，不再是鏈狀通道。圖3（b）有截面收縮的鑄件兩條通道初始位置為距鑄件底部10cm處并且分別沿兩側鑄件壁生長。在距鑄件底部12.5cm處即截面收縮的位置，左右通道內溶質濃度分別為35.66%和35.67%。左側通道內溶質濃度在距鑄件底部14.5cm到17.5cm之間先減小到34.78%后增大到35.7%。在距鑄件底部17.5cm到距鑄件底部25cm處的收縮截面通道一直持續生長，濃度均在35.7%。在距鑄件底部25cm以上濃度又逐漸減小到34.9%;而右側通道內溶質濃度在距鑄件底部15cm到24.75cm之間先減小到34.09%后增大到35.11%。在距鑄件底部25cm處即收縮截面以上濃度又下降到34.64%。

圖4和圖5分別給出無截面收縮的鑄件和有截面收縮鑄件在三個時刻下等固相分數線和等效速度值分布圖。其中V_ω為z軸方向流動速度，單位為cm/s。

從圖4和圖5中均可以看出，在形成溶質偏析通道的位置，固相分數界面會出現形似火山口狀的明顯波動，這意味著溶質在此處富集。隨著凝固進行，富集溶質的枝晶間液體密度減小，當浮力大于通道中的粘性阻力時，輕的元素會向上流動。富集溶質的液體流過之處液相線溫度降低，因此形成雀斑缺陷。在高溫合金定向凝固過程中。在圖4中，由于無截面收縮的形狀流動區域相對寬闊，實際液體流動的動力要比鑄件壁上的大，但是阻力比在鑄件壁界面上形成時要大得多所以不能形成有效對流。糊狀區液體因密度反差造成的流動驅動力要小得多，即使在阻力很小的鑄件壁上，也不可能驅動整個界面上液體的流動，而只能形成隧道式的局部對流，結果是造成鏈條狀的雀斑缺陷。而圖5中鑄件外形連續收縮對于產生雀斑卻是有利的條件。這是由于鑄件壁提供了阻力很小的界面，要遠遠小于枝晶臂互相交錯的糊狀區內部，這造成了對流的驟然加速和枝晶臂沖斷，使得雀斑形成。糊狀區液體流動極易沿著阻力很小的鑄件壁進行所以產生附壁效應。正如圖5（a）和（b）中最大流速即圖中紅色部分在鑄件截面收縮處出現，而圖4（a）、（b）、（c）中流速均沒有出現紅色部分。

2.4 合金元素對雀斑形成影響

不同合金元素組成對于通道的形成有著不同的影響。在圖6（C）中的通道在凝固過程中形成的最早，而（b）中卻沒有通道產生，這是由于計算T_a=0的算例溶質膨脹系數最大，為6.81×10^-3。而Al=0的溶質膨脹系數最小，僅為0.47×10^-3。圖6（a）中起初在鑄件中間形成了四個連續的通道，而圖6（b）幾乎沒有溶質富集，圖6（c）則在從距鑄件底部0.75cm就開始出現很多截斷的通道，只有在距鑄件底部11.25cm處產生一條溶質濃度很大的通道一直連續生長到距鑄件頂部16.25cm處。形成上述結果的原因可以結合速度場來解釋：凝固過程中不同的合金成分造成的流動強度不同，也對雀斑缺陷的形成也起著不同的作用。圖7（a）的鑄件在凝固過程雖在鑄件頂部有流動但距凝固界面較遠，并沒有使界面失穩，沒有溶質富集，所以沒有形成通道。圖7（b）可以看到，形成平行重力方向的隧道式流動，在通道形成的地方流動速度比周圍液體的流動速度大，尤其是在接近凝固界面“火山口”的地方，流速呈現紅色。

3 結論

1）本文模擬結果與Beckermann等模擬結果進行對比，趨勢吻合，證明了算法設計、程序開發和邊界條件選擇的可靠性。

2）本文中兩種形狀的鑄件均有雀斑產生，不同幾何形狀的鑄件對于雀斑的形成有不同的影響：無截面收縮的鑄件的通道數量更多、形成的時間更早即通道形成的初始位置更接近鑄件底部;而收縮形鑄件中通道則出現在壁面處，附壁現象明顯，雀斑在鑄件壁形成更不利于鑄件的實際使用。

3）不同合金成分也是影響雀斑形成的重要因素：Al為不穩定元素，Ta為穩定元素。所以在鑄件合金成分中減少Al的含量或增加Ta的含量有利于抑制雀斑形成。