卢玉章，申 健，郑 伟，徐正国，张 功，谢 光

(中国科学院金属研究所，沈阳 110016)



单晶铸件凝固过程工艺优化的数值模拟

卢玉章，申 健，郑 伟，徐正国，张 功，谢 光

(中国科学院金属研究所，沈阳 110016)

采用ProCAST软件系统研究了LMC(Liquid Metal Cooling)以及HRS(High Rate Solidification)工艺下，不同工艺参数对单晶铸件凝固过程中纵向温度梯度、温度梯度角、凝固界面位置的影响。结果表明：HRS工艺受型壳厚度影响很小，型壳表面的辐射散热是HRS工艺的主要影响因素，型壳的导热或者型壳和合金之间的换热是LMC工艺的主要影响因素；提高保温炉温度有利于提高纵向温度梯度；拉速是影响定向凝固最重要的参数，随拉速的增加，单晶铸件的纵向温度梯度先增大后减小，因此，制备不同合金铸件时应当采用不同的拉速；不同浇注温度时，经过10min的静置时间后，单晶铸件的初始温度分布趋于一致，对后续凝固过程影响很小。提出了以纵向温度梯度G∥、温度梯度角θ以及凝固界面位置Rp考察定向凝固工艺参数优劣的标准，纵向温度梯度、温度梯度角、凝固界面位置是评价定向凝固参数优劣的有效手段。

定向凝固；工艺优化；数值模拟

目前国内广泛使用的定向凝固技术是比较成熟的高速凝固法(High Rate Solidification,HRS)[1]，如图1(a)所示，这种工艺在凝固初期热量主要是通过水冷结晶器的热传导和铸件向炉体的辐射散失，随着铸件的不断凝固，通过结晶器散失的热量逐渐减少，温度梯度不断降低，铸件中会出现缩孔、斑点、小角度晶界、断晶、杂晶等缺陷[2]。为了保持温度梯度需要降低抽拉速率，而降低抽拉速率会带来其他问题，例如：生产效率降低，钢液与型壳反应加剧，型芯变形等问题[3]。……