重型燃气轮机叶片热制造过程多尺度建模仿真解决方案

重型燃气轮机叶片热制造过程多尺度建模仿真解决方案提纲1、背景及意义2、材料基因工程与集成计算材料工程材料基因工程与集成计算材料工程高3、高温合金叶片定向凝固模拟–数学物理模型–实验验证–工程应用实例4、高温合金叶片热处理模拟结论5、结论1、背景及意义☐中国制造2025✓燃气轮机主要包括叶片☐两机重大专项即将启动航空发动机和重型燃气轮机，由于其重要性，被称为工业上“皇冠上的明珠”。

航空发动机和重型燃气轮机✓涡轮叶片是燃气轮机的核心部件，其工作温度高达1100℃。

战斗机/大飞机/舰船/能源：核心动力装备燃气轮机的应用国外国产航空发动机战斗机发动机（叶片寿命）数千小时数百小时大飞机发动机（叶片寿命）约2万小时尚无主要原因高温叶片性能差后果严重制约了国防和航空业的发展。

高温叶片工业燃气轮机高效大型机组主要原因F 级+G 级+H 级+J级尚无高温叶片技术无法引进现状与国外合作生产燃机，但高温叶片制造技术遭到封锁，不能自制。

只能以每片数十万元的价格进口用能以每片数十万元的价格进口，用于新机组的制造和老机组的更换。

后果经济损失巨大、核心技术受制于人高温叶片•热端叶片是重型燃气轮机的核心部件，其制造技术主要被发达国家垄断。

例如：西门子、通用电气、三菱重工等。

国家断例西子通用气菱等•上气、哈气以及东气分别和上述三家公司合作，想要以市场换技术，但是这些公司采取整机拆装的方式对核心技术严格保密。

•某企业涡轮叶片进口费用占其整台燃气轮机机组利润的50％。

进口核心热部件费用是生产成本的主要构成。

•近期主要引进、消化吸收再创新。

但是外方封锁了热端叶片制造技术制造技术。

亟待亟待掌握掌握具有具有自主知识产权自主知识产权的定向凝固叶片材料和制备工艺关键技术！叶片微观组织的发展1背景及意义重型燃气轮机叶片尺寸更大，性能要求更高，尤其在海洋腐蚀大气的环境中要重燃叶片和航空叶片对比、背景及意义高尤海气境要求具有高的耐蚀性能，制备更加困难。

叶片的内部结构的发展经历了从简单到复杂的过程，从六七十年代的单通道内部冷却到八九十年代的多通道内部冷却，再到现在的多通道多路内部冷却。

微观组织的发展经历了从等轴晶、柱状晶及单晶的发展过程，其中单晶叶片由叶片内部结构的发展于消除了晶界，严格控制晶粒取向，因而具有优异的综合性能。

⏹主要采用高速凝固(HRS)技术和液态金属冷却(LMC)技术⏹燃机叶片定向凝固制备中的主要缺陷⏹不连续柱状晶、断晶，与择优方向的偏角过大，等轴晶（杂晶），露头晶，柱状晶粗大，再结晶等⏹偏析、雀班、缩松、开裂、变形等1、背景及意义合金设计‐材料制备工艺‐微观组织‐力学性能耦合的全过程多尺度计算的研究是当前GI/ICME 的重要发展方向。

算前定向凝固热处理感应熔炼、浇注温度、抽拉速率固溶温度、固溶时间、固溶冷速、时效温度、时效时间合金设计CastingGrain microstructure Dendritic microstructure PrecipitatesAtoms0.1‐10mm50‐500um10‐1000nm 10‐100Å0.1‐1m制备工艺从原子到发动机微观缺陷螺旋选晶枝晶臂间距、共晶相强化相界面结构宏观组织微观组织组织力学School of Materials Science and Engineering高温拉伸、持久、蠕变、疲劳等力学性能性能我们的工作1、背景及意义热导率密度组元固相平衡浓度组元液相平衡浓度组元液相线斜率比热焓潜热液相线固相线杨氏模量泊松比屈服强度塑性模量线膨数斜组元固相线斜率组元溶质分配系数组元溶质液相扩散系数组元溶质固相扩散系数线膨胀系数溶质扩散系数平均扩散系数提纲1、背景及意义2、材料基因工程与集成计算材料工程材料基因工程与集成计算材料工程高3、高温合金叶片定向凝固模拟–数学物理模型–实验验证–工程应用实例4、高温合金叶片热处理模拟结论5、结论变革研发模式，实行计算—实验—理论—数据科学相融合实现低耗、高效按需设计材料实现低耗高效按需设计材料缩短材料研发周期一半，降低研发成本一半高通量作业DFT作业设计化学组成多尺度集与高通量计算驱动引擎化学组成、晶体结构、缺陷及其构型集成与算法序列算法桥 输入文件生成•工作流生成标准算法流程、自定义算法流程专家知识接算法计算模型控制参数设置计算任务生成有效性校验•重复性校验•作业调度•负载平衡检错、容错、纠错数据处理、物性参数与服役行为分析验证性应用数据库及数据关联分析集成计算材料工程（Integrated Computational Materials Engineering，ICME）既是先进制造技术的关键共性技术，又是材料加工学科的前沿技术。

ICME 是材料基因计划的基本组成部分Integrated什么是ICME？ComputationalMaterialsEngineering集成计算材料工程的内涵：①多尺度耦合、多种方法/工具的集成②模拟与实验的集成③满足工程要求、指导研发和生产通用汽车公司铝合金发动机缸体全流程建模与仿真技术开发与应用ICME 技术应用于英国RR 公司先进航空发动机涡轮盘研发中国、美国、加拿大三国政府间科技合作项目课题1.9提纲1、背景及意义2、材料基因工程与集成计算材料工程材料基因工程与集成计算材料工程高3、高温合金叶片定向凝固模拟–数学物理模型–实验验证–工程应用实例4、高温合金叶片热处理模拟结论5、结论水冷环液锡/铝石墨结晶器抽拉方向抽拉方向水冷铜板高速凝固（HRS）法液态金属冷却（LMC）原理图法原理图计算误差甚至错误。

对浮动挡板边界进行了数值处理，提高了计算精度。

并考虑了抽拉过程中液态金属的液面变化。

分五种情况讨论：1.z>h+h b +Δz2.h+h b +Δz ≥z>h+h b 3T C λ∂∂∇3.h+h b ≥z>h+Δz4.h+Δz ≥z>h5.h ≥z2s p netf T H Q t tρρ=⋅∇+∆+∂∂根据体积守恒抽()()()c h p c hd d S h S hW t t S S h S +=--拉过程的液面高度随时间的变化dN()()()()'''01T s dnn T f T d T d T ∆⎡⎤∆=-∆⎣⎦∆⎰2102K K (())exp()()n n t dt T T =--∆()2312v T k T k T ∆=⋅∆+∆界面瞬时形核模型KGT 生长模型高斯形核模型Mic Mac ,,i i i i x y zT T G L δ==+⋅⋅∑()()()()Mac Mac -1Mac +1Mac / 0 2, ,,/ 2i i i i i i i i T T i L i G i x y z T T i L i δλλδλ-∆≤⋅<⎧⎪==⎨-∆≤⋅≤⎪⎩()()()341412141021c V kD T G V VλπΓ--⎛⎫=∆- ⎪⎝⎭()()()13eut 02f 0eut ln 1661D c c t m k c c Γλ⎛⎫=⋅ ⎪ ⎪--⎝⎭一次枝晶臂计算模型二次枝晶臂计算模型☐枝晶生长模型✓溶质扩散方程∂()()01i si i i C f D C C k t t∂=∇⋅∇+-∂∂0S LC k C =12*S L LCf C C xG -=-∆1CA-FD单元捕获算法()()0**LL i LC C T T f m Γκθ=+-+1N()1211s s i m f f i a N κ=⎧⎫⎡⎤=-+⎨⎬⎢⎥+⎣⎦⎩⎭∑∏()()1cos i i ii l,m,nf θεδθ==+⎡⎤⎣⎦枝晶竞争生长模型软件的用户界面主界面菜单栏工具栏工作区状态栏定向凝固模拟软件•前处理功能（不同浆料，商用软件无法调节圆滑度）随温度变化的材料School of Materials Science and Engineering定向凝固模拟软件•求解计算模块后处理功能School of Materials Science and Engineering提纲1、背景及意义2、材料基因工程与集成计算材料工程材料基因工程与集成计算材料工程高3、高温合金叶片定向凝固模拟–数学物理模型–实验验证–工程应用实例4、高温合金叶片热处理模拟结论5、结论浇注实验在东方汽轮机有限公司ALD 定向凝固炉进行。

采用MM247镍基高温合金，其液相线温度为1363℃，固相线温度为1253℃，浇注温度1500℃，模壳预热温度1500℃，模壳平均厚度8mm ，抽拉速率为4mm/min ，浇注后静置2min 开始抽拉。

对测温点进行数据采集测温点进行数据采集。

◆TC1~TC4为热电偶位置冷却曲线模拟和实验对比不同时刻糊状区模拟结果不同时刻温度场模拟结果ProCAST 模拟结果枝晶组织实验及模拟结果形核密度和枝晶臂间距的关系-1.5-1.0-0.5 C o o l i n g r a t e , ℃Experimental data:TC 1 试样的三维造型10001200140016001800200022002400-2.5-2.0sTC 2TC 3TC 4及模壳(a)试样的三维造型(b)模壳Time , s 冷却曲线模拟和实验对比晶粒组织模拟及实验结果不同抽拉速率下试样的外表面晶粒的模拟结果和实验结果对比(a) 6mm/min 模拟(b) 6mm/min 实验(c) 8mm/min 模拟(d) 8mm/min不同抽拉速率下试样的内表面晶粒的模拟结果和实验结果对比(a) 6mm/min 模拟(b) 6mm/min 实验(c) 8mm/min 模拟(d) 8mm/min实验实验枝晶臂间距模拟及实验结果200250300μm50100150P D A S , Middle line, Experimental Side line, Experimental Middle line, Simulation Side line, Simulation60700204060801001200Distance to chill, mm304050S D A S ,μm Middle line, Experimental Side line, Experimental Middle line Simulation 抽拉速度为8mm/min 时试样的一次枝晶臂间距模拟和实验对比204060801001201401601801020Distance to chill,mmMiddle line, Simulation Side line, Simulation抽拉速度为8mm/min 8mm/min 时试样的二次枝晶臂间距模拟和实验对比提纲1、背景及意义2、材料基因工程与集成计算材料工程材料基因工程与集成计算材料工程高3、高温合金叶片定向凝固模拟–数学物理模型–实验验证–工程应用实例4、高温合金叶片热处理模拟结论5、结论某三级动叶片浇注实验在东方汽轮机有限公司ALD定向凝固炉进行，使用MM247镍基高温合金。