单晶高温合金HRS定向凝固过程凝固参数的计算机检测与分析

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系统设计方案及试验方法
系统设计方案 B+’ 1 , 单晶炉的数据自动采集和控制系统的设
收到初稿日期：,%%$ 1 %- 1 ,-； 收到修改稿日期：,%%$ 1 %4 1 $作者简介：李金国，男，$(3& 年生，博士生，中国科学院金属研究所，辽宁 万方数据 86=> 7?> ?@ 6789： :;98<
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图&
固液界面与隔热挡板的位置
E:>45,:;8 :< ?,F6,768 4;7 8:?,768 ,8:5@0318 4;7 94<<?0 B,5@ 30G 820>5 5: B,5@734B4? 5,10
逐渐增大，这与温度梯度逐渐减小有关。以上分析表 明，H8 的采样周期完全可以满足工艺分析的要求，在 发热体加热温度和抽拉速率相同的条件下，单晶在整 个凝固过程中凝固参数是变化的。
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稀有金属材料与工程
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在恒定的加热温度和抽拉速率下， 温度梯度、 固液界面 与隔热挡板的相对位置和糊状区宽度等凝固参数也是 不断变化的， 在起始端温度梯度最高， 凝固后期温度梯 度趋于平稳， 糊状区的宽度随着凝固的进行呈增加的 趋势。
参考文献 !"#"$"%&"’
［9］ ;’)-’6 < &，=>.() ? @% A+： B.66 <，C’0D#7- @ " .03% !"#$%&’’()* 9EF8，+%(, G -. /0-$%0 !)1#(*2"1 (0 !"#$%&’’()*［ H］ % ;./ I*(J： K-. <.)’662($#7’6 L*7#.)4 *, MA<=， 9EF8： 9:G ［:］ ［ @］ ， （9） ： N-’+ K% 345&0,$4 6&-$%2&’* 7 +%(,$**$* 9EEO， P! 9E 图! "#$% ! 单晶生长过程的糊状区宽度 ［P］ （唐定中） ， （ 钟振钢） ， K’+$ Q#+$5-*+$ R-*+$ R-.+$’+$ S’+$ I#-2 （王义虎） （航空材料学报） ［ @］ ， % 8("%0&’ (9 3$%(0&"-2, 6&-$%2&’* （9） ： 9EE8， 98 9T! ［8］ （林淑熙） （材料工程） ［ @］ ， ?#+ L-2U# % 6&-$%2&’* :0;20$$%20; 9EEO， :： P8 T P! ［G］ B#’1.# M "， =(#7J3*+ @ L% L2V.(’66*43：<.)’662($4 ’+0 <’+2,’7)2(. ［H］ % A+： N.’( W X，<254J’ Q C， K#.+ @ N .03% +%(, <.2%4 /0!)1# (0 !"#$%&’’()* % W’)*+ C*2$.， ?M： H6’#)*(’ 3 Y2>6#3-#+$ Q#D， 9E!Z： 8OG T 8:8 ［Z］ =(#7 L7-6#.+$.( <% A+：N#33#+$.( C Q， Q.4. Q @， M+)*+ Q ?， H.).6 M Q， ;’)-’6 < &， Y*66*7J K <， ’+0 S**0,*(0 Q M .03% !"#$%&’’()* 9EEZ，+%(, F -. /0- !)1# (0 !"#$%&’’()*［ H］ % S’((.+0’6.， YM： K<L， 9EEZ： 8F! T 8EG &’(#’)#*+ *, )-. /#0)- *, 123-4 5*+. 02(#+$ )-.
沈阳 $$%%$&，电话：wenku.baidu.com,- 1 ,/)-/&/$ 1 &&-/,，5 1
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稀有金属材料与工程
?! 卷
图! ’()* !
"#$ % & 单晶炉数据自动采集与控制系统示意图
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［?］ ［@］ ［A］ 根 据 唐 定 中 、林 淑 熙 、 #(2/.( 和 ［B］ +,-5(.:).; 等人的工作以及本实验验证，将某一时刻
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（G）
温度回归为位置的三次幂关系是比较合理的。即： ! C "D E "! # E "& #& E "? #? （!） 式中 ! 为某一时刻测温点的温度， # 为测温点的位 置， " D ， " ! ， " & ， " ? 为回归系 数。将回归系数求出 后，将液、固相线温度分别代入（!）式，求出的 # 值 为对应的固液界面位置 #$ ， #% 。对（!）式就位置变 量进行求导，可得到该时刻不同位置的梯度表达式： & C 7 ! F7 ’ C " ! # E & " & # E ? " ? #& （ &）
率。该时刻的糊状区高度为： C #$ % #% ! ) 万方数据 （A）
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结果与讨论
图 ? 为未浇注金属液时模壳内温度沿高度方向的
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李金国等：单晶高温合金 IJK 定向凝固过程凝固参数的计算机检测与分析
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分布，上区发热体的加热温度为 ! "#$% ，下区发热 体加热温度为 ! &’$% 。可以看出，模壳温度沿高度 方向的分布并不与上下区相应的高度和温度完全对 应。当下区的加热温度较高时，上区内部的温度在一 定高度也随着升高，这说明下区发热体对上区内部有 辐射热传出。而靠近结晶器部分由于下面受水冷结晶 器和铸型室的影响，温度有所降低。这种温度分布对 于提高温度梯度和减少合金的烧损有利。图 " 为各测 温点的冷却曲线，可以看出，计算机采集的数据非常 平稳。根据前面的数据处理方法对所采集的数据进行 分析，结果见图 ’ ( 图 )。由图 ’ 可以看出，在结晶 器抽拉速度不变的情况下，温度梯度在整个单晶的生 长过程中是变化的。在单晶的生长过程中，热量的传 递主要通过两种方式—传导和辐射来完成。在凝固初 期，即在起始端部分，热量主要以热传导方式传递， 由于距水冷结晶器较近，传导路径较短，温度梯度较 大。随着凝固的进行，传导路径增大，热传导的作用 逐渐减弱，温度梯度也随之降低。当到达螺旋选晶器 处，由于选晶器的直径较小，散热比表面积较大，温 度梯度有所提高。随着凝固的进一步进行，热传导所 起的作用越来越小，而辐射散热面积增大，壳型表面 辐射散热逐渐占据主导地位，但辐射散热能力较热传导 作用低，故总的散热能力减弱，导致温度梯度降低。
’ ’ E !’ （ #$ % #$） （?） C ( !’ ’ ’ E !’ % #%） ’ E ! ’ （ #% （@） C (% !’ 式中! ’ 为采样周期。 (% ， ($ 为固液界面的生长速 ’ E !’ $
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图& ’()* & 具有 < 个测温位置的测温用模壳 H 9-.55 /0357 10; 4./I.;243;. /.293;./.:4* K：!LA// N：!DA// O：!A// M：!BA// ’：GG//
式中 & 为不同位置 # 处的温度梯度。将固液界面位 置 #$ 和 #% 代入上式就可得出固液界面处的温度梯度 &$ ， &% 。该时刻的生长速率为：
随着燃气涡轮进口温度的不断提高，对叶片材料 的高温性能要求愈来愈苛刻，而单晶高温合金由于消 除了晶界和晶界强化元素，具有较高的高温性能
［$， ,］
计方案如图 $ 所示，主控系统由 )%-)4CD 机和串口组 成，实现集中监控，与测温系统和调节系统进行数据 传输，对数据进行处理。数据采集采用 $, 位 0A’ 转 换模块，输出控制模块通过模拟量和开关量输出对结 晶器的运动进行控制；显示部分能动态显示温度数 值、温度随时间的变化曲线及控制参量值，同时对采 集的数据进行同步存储，可供查阅和分析。 !" # 试验设备及方法 试验在工业用大型双区加热 B+’, 1 真空单晶炉 中进行的。铸型为刚玉模组，沿凝固方向装有 ) 副 E 1 "F 热 电 偶，其 位 置 及 编 号 如 图 , 所 示。试 棒 为 G$466 的圆棒，每个模组可同时浇注 4 根试棒。试验 合金为 H8 1 D= 1 09 1 *8 1 E 1 IJ 1 DJ 1 *7 系单晶高温 合金 ’’()，差热分析测定的固、液相线温度分别为 $ /-&K 和 $ /3)K 。影响固液界面位置的主要因素是 炉温和抽拉速率，试验是在固定结晶器冷却水的温 度、压力及其他条件的情况下进行的。实验采用的上 区加热温度为 $ -)%K ，下区加热温度为 $ 4&%K 。合 金的浇注温度为 $ 4%%K ，金属液浇注后静置 $%68@ 后开始抽拉 ，结晶器的抽拉速度为 466A68@。采用前 述微机自动检测及控制系统对未浇注金属液时炉温分 布和浇注金属液后铸件凝固时的温度场数据进行自动 采集，微机的采样周期为 ,L。
［/］ 宽度、冷却速度等 。!"# 凝固过程是一个 / 维的非
稳态传热过程，金属和模壳材料的热物理性质是随温 度而变化的，合金凝固时要放出结晶潜热，并且传热 条件随着凝固的进行不断变化。因此，要建立一个包 括以上因素的温度场模型是极其困难的。本试验针对 以上问题，应用计算机对单晶高温合金凝固过程中的 温度数据进行自动采集和处理，依据温度场的分布计 算出各种凝固参数。
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图*
未浇注金属时炉内模壳处温度分布情况 /0120345630 7,853,965,:; :< =4>4;5 1:6?7
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固液相界面与隔热挡板的位置关系如图 & 所示， 在整个单晶的生长过程中，固液界面均处于隔热挡板 以下，随着凝固的进行，固液界面距隔热挡板的位置 逐渐增大，说明铸型的抽拉速率大于单晶的凝固速 率。图 & 中同一时间从液相线到固相线的距离为糊状 区的宽度，而同一位置从液相线到固相线所需的时间 为局部凝固时间。图 ) 为糊状区的宽度随时间的变化 万方数据 曲线，随着凝固的进行，糊状区宽度随着凝固的进行
式中! ) 为糊状区的高度。该时刻的局部凝固时间
&
数据处理
在本试验中，沿单晶生长方向分布有 < 对热电偶，
为： ’ C （ #$ % #% ） F ( （B） 式中 ’ 为局部凝固时间， ( 为凝固速率。该时刻冷却 速率! 为：
微机自动采集的原始数据为电偶的电动势值。首先根据 =—>. 电偶的电动势—温度对应关系，通过预先编制好 的程序将所有的电动势值转化为对应的温度值，并且绘 出每对电偶所在位置的冷却曲线，然后根据每一时刻对 应的位置和温度数据，应用最小二乘法进行多项式回归 拟合，得出温度—位置关系式，然后根据此方程及对应 的曲线求出单晶生长过程的凝固参数。
，
目前成为国内外先进航空涡轮发动机的重要高温部 件。!"# 定向凝固技术是生产航空发动机单晶涡轮叶 片应用较广的一种定向凝固工艺，在 !"# 定向凝固 理论及工艺的研究过程中，常常要知道凝固过程中温 度场的分布情况（尤其是固 A 液界面温度场） ，并根据 温度场的分布状况计算出直接影响铸件组织和性能的 某些重要凝固参数，如温度梯度、凝固速度、糊状区
第 /$ 卷 第 / 期 ,%%, 年 4 月
稀有金属材料与工程
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单晶高温合金 !"# 定向凝固过程凝固参数的 计算机检测与分析
李金国，金 涛，赵乃仁，王 震，孙晓峰，管恒荣，胡壮麒
（中国科学院金属研究所，辽宁 沈阳 $$%%$&） 摘 要：建立了一套炉前计算机数据自动采集和控制系统，该系统可对 !"# 定向凝固过程的温度数据进行自动采
集。对单晶高温合金 ’’() 定向凝固过程温度场的现场测定和分析的结果表明：该系统现场采集的数据平稳，较好 地解决了干扰问题；在恒定的加热温度和抽拉速率下，温度梯度、糊状区宽度等凝固参数是不断变化的，起始端的 温度梯度最高，凝固后期温度梯度趋于平稳，糊状区的宽度随着凝固的进行呈增加的趋势。 关键词：单晶高温合金；!"# 定向凝固；计算机检测与分析 中图法分类号：*+,-- . ・ / 文献标识码：0 文章编号： （,%%,） $%%, 1 $)&2 %/ 1 %$(3 1 %-
图’ +,-. ’ 单晶生长过程的温度梯度 图" +,-. " 上区 ! "#$% 、下区 ! &’$% 时的测温点 温度随结晶器下降变化曲线 /0120345630 =43,45,:; :< 5@0 04>@ 104863010;5 （ @,-@03 A:;0 50120345630 ,8 ! "#$% 4;7 ?:B03 A:;0 2:,;5 50120345630 ,8 ! &’$% ）