镍基单晶超级合金定向凝固过程中树枝晶热机械变形的多物理场建模

《International Journal of Minerals Metallurgy and Materials》：Multiphysics modeling of dendritic thermomechanical deformation during the directional solidification of nickel-based single-crystal superalloys

本研究通过耦合枝晶生长、流体流动和热力变形行为模型，系统探究镍基单晶超合金定向凝固中的枝晶热力变形规律，发现变形集中分布于铸件表面，应力分布受温度梯度和模具约束影响显著。

　　

摘要

基于镍的单晶（SX）超合金是航空发动机的关键金属材料。然而，在SX超合金的定向凝固过程中总会发生热机械变形，这对SX的结构产生负面影响。以往的大多数研究都模拟了铸造过程中的变形，而直接模拟枝晶的热机械变形则被忽视了，导致人们对这一过程缺乏全面的了解。在本研究中，我们通过一个结合了枝晶生长、流体流动和热机械变形行为的模型，系统地研究了枝晶的热机械变形。研究结果表明，由热机械变形引起的枝晶弯曲并不是随机分布的，而是主要集中在铸造表面。随着枝晶的生长以及枝晶桥接后的应力积累，枝晶的热应力也随之增加。横向热收缩主要发生在铸件的角部边缘，而轴向热收缩比横向热收缩更为显著。主枝晶干的高应力区域主要分布在靠近凝固部分的枝晶桥接下方，横向方向的应力在铸造表面达到最大值。铸造表面上的应力集中主要归因于侧向模具壁上的热扩散导致的横向温度梯度变化，以及侧向模具壁约束条件不一致。