1172 工程科学学报，第42卷，第9期 凝固高度增加（对应与图中灰色部分），这主要由 are 5,18,38,98,138,178,and 200 mm,respectively;(b)withdrawal rate 于抽拉速度增加提供了更大的冷却速率.将糊状 of 8 mm'min-;(c)withdrawal rate of 10 mm'min- 区变化规律进行统计可以得到，随着抽拉速率由 2.3实验验证 5、8、10 mm'min逐渐增加，固/液界面离液态金 根据温度场的数值模拟结果，利用公式计算 距离铸件底端不同高度处的一次枝品间距，并与 属锡表面距离变小，分别为12.06、9.95、8.18mm; 平均糊状区宽度逐渐变窄，分别为11.52、11.46、 实验统计得到的一次枝晶间距结果进行对比，对 10.42mm.图9(d)为固/液界面在距离底端15.6cm 比结果如图11所示.由图11可知，通过数值模拟 时的局部放大图，从图9()可以发现，随着抽拉 与实际LMC定向凝固实验获得的一次枝晶间距 均在110~160mm之间，差异在6%以内，两者吻 速率增加，固/液界面形状逐渐变得平直，这主要 是由于铸件外围与液态金属锡先接触，首先开 和较好，这表明数值模拟中铌硅基高温合金、型壳 始凝固，抽拉速度增加会使得接触面积变大，使得 的热物性参数和界面换热系数准确，可以用于后 固/液界面曲率变小.固/液界面位置更接近液态 续铌硅基高温合金复杂叶片的数值模拟工作中 金属锡表面，糊状区宽度越窄，越有利于晶粒组织 180 Test 生长 160 2.2.3抽拉速率对微观组织形貌的影响 140 图I0为不同抽拉速率下晶粒CAFE微观组织 120 模拟，不同颜色代表了不同品粒取向.其中图9(a1)~ 100 9(as)为抽拉速率5 mm'min'时凝固分数分别为 5%,10%,20%,40%,80%,100%微观组织模拟结 60 40 果.从图10(a1)~10(a6)中可以看出，由于激冷盘 的激冷作用会促使铸件底部大量形核.在铸件往 下抽拉过程中，晶粒向上生长，遵循竞争生长规 40 70 100 120 160 180 Position/mm 律，会使得与晶粒取向偏差较小的晶粒具有择优 图11距离铸件底端不同高度的一次枝品间距模拟与实验结果对比 生长趋势.随着非择优取向的晶粒会被逐渐淘汰， Fig.11 Comparison of spacing of primary dendrites between simulated 品粒取向偏离不断减小，最终品粒取向偏差达到 and experimental results at different heights from the bottom of the 稳定.对比图10(a6),(b)和(c)可以发现，三种抽拉 casting 速率下晶粒形貌没有太大差异，抽拉速率的变化 对其外观形貌没有显著影响. 3结论 本文通过等温淬火实验，界面换热实验以及 54 实验测试热物性参数确定了数值模拟所需的热物 性参数和关键边界条件，重点研究了不同抽拉速 0505050 率对铌硅基高温合金定向凝固过程温度场的影 响，获得主要结论如下： (1)通过等温淬火实验，确定了Nb-20T-14Si- 3Cr-3Al-2Hf(at%)合金的固相线1600℃，通过实 验测试结果并结合热力学软件Pandat2019计算结 1 果的变化趋势进行外推，确定了铌硅基高温合金 5 和型壳相对准确的比热容、热扩散、热导率、密度 0 等热物性参数 (a)(a2)(a)(a)(as)(a)(a)(b) (c) (2)通过界面换热实验并结合ProCAST反求 图10不同抽拉速率下品粒微观组织模拟.(a1~a,)抽拉速度为 模块，确定了各界面最终的边界条件.激冷盘与型 5 mm'min.距离底端高度分别为5.18.38.98.138.178.200mm: 壳的界面换热系数为450Wm2K,铌硅基高温 (b)抽拉速度为8 mmmin-':(c)抽拉速度为10 mm'min-1 Fig.10 Simulation of grain microstructures at different withdrawal 合金与激冷盘的界面换热系数为495Wm2K, rates:(aa)withdrawal rate of 5 mm'min,the heights from the bottom 激冷盘与水的界面换热系数为3980Wm2K,铌凝固高度增加（对应与图中灰色部分），这主要由 于抽拉速度增加提供了更大的冷却速率. 将糊状 区变化规律进行统计可以得到，随着抽拉速率由 5、8、10 mm·min−1 逐渐增加，固/液界面离液态金 属锡表面距离变小，分别为 12.06、9.95、8.18 mm； 平均糊状区宽度逐渐变窄，分别为 11.52、11.46、 10.42 mm. 图 9（d）为固/液界面在距离底端 15.6 cm 时的局部放大图，从图 9（d）可以发现，随着抽拉 速率增加，固/液界面形状逐渐变得平直，这主要 是由于铸件外围与液态金属锡先接触，首先开 始凝固，抽拉速度增加会使得接触面积变大，使得 固/液界面曲率变小. 固/液界面位置更接近液态 金属锡表面，糊状区宽度越窄，越有利于晶粒组织 生长. 2.2.3    抽拉速率对微观组织形貌的影响 图 10 为不同抽拉速率下晶粒 CAFE 微观组织 模拟，不同颜色代表了不同晶粒取向. 其中图 9（a1）～ 9（ a6）为抽拉速率 5 mm·min– 1 时凝固分数分别为 5%， 10%， 20%， 40%， 80%， 100% 微观组织模拟结 果. 从图 10（a1）～10（a6）中可以看出，由于激冷盘 的激冷作用会促使铸件底部大量形核. 在铸件往 下抽拉过程中，晶粒向上生长，遵循竞争生长规 律，会使得与晶粒取向偏差较小的晶粒具有择优 生长趋势. 随着非择优取向的晶粒会被逐渐淘汰， 晶粒取向偏离不断减小，最终晶粒取向偏差达到 稳定. 对比图 10（a6）,（b）和（c）可以发现，三种抽拉 速率下晶粒形貌没有太大差异，抽拉速率的变化 对其外观形貌没有显著影响. (a1 ) (a2 ) (a3 ) (a4 ) Mis-Orientation/(º) (a5 ) (a6 ) (a7 ) (b) (c) 54 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 图 10    不同抽拉速率下晶粒微观组织模拟. （a1～a7）抽拉速度为 5 mm·min–1，距离底端高度分别为 5，18，38，98，138，178，200 mm； （b）抽拉速度为 8 mm·min–1；（c）抽拉速度为 10 mm·min–1 Fig.10     Simulation  of  grain  microstructures  at  different  withdrawal rates: (a1–a7 ) withdrawal rate of 5 mm·min–1, the heights from the bottom are 5, 18, 38, 98, 138, 178, and 200 mm, respectively; (b) withdrawal rate of 8 mm·min–1; (c) withdrawal rate of 10 mm·min–1 2.3    实验验证 根据温度场的数值模拟结果，利用公式计算 距离铸件底端不同高度处的一次枝晶间距，并与 实验统计得到的一次枝晶间距结果进行对比，对 比结果如图 11 所示. 由图 11 可知，通过数值模拟 与实际 LMC 定向凝固实验获得的一次枝晶间距 均在 110～160 mm 之间，差异在 6% 以内，两者吻 和较好，这表明数值模拟中铌硅基高温合金、型壳 的热物性参数和界面换热系数准确，可以用于后 续铌硅基高温合金复杂叶片的数值模拟工作中. 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 70 100 120 Primary dendrite spacing/μm Position/mm Test Simulation 40 160 180 图 11    距离铸件底端不同高度的一次枝晶间距模拟与实验结果对比 Fig.11    Comparison of spacing of primary dendrites between simulated and  experimental  results  at  different  heights  from  the  bottom  of  the casting 3    结论 本文通过等温淬火实验，界面换热实验以及 实验测试热物性参数确定了数值模拟所需的热物 性参数和关键边界条件，重点研究了不同抽拉速 率对铌硅基高温合金定向凝固过程温度场的影 响，获得主要结论如下： （1）通过等温淬火实验，确定了 Nb–20Ti–14Si– 3Cr–3Al–2Hf(at%) 合金的固相线 1600 ℃，通过实 验测试结果并结合热力学软件 Pandat 2019 计算结 果的变化趋势进行外推，确定了铌硅基高温合金 和型壳相对准确的比热容、热扩散、热导率、密度 等热物性参数. （2）通过界面换热实验并结合 ProCAST 反求 模块，确定了各界面最终的边界条件. 激冷盘与型 壳的界面换热系数为 450 W·m−2·K−1，铌硅基高温 合金与激冷盘的界面换热系数为 495 W·m−2·K−1 ， 激冷盘与水的界面换热系数为 3980 W·m−2·K−1，铌 · 1172 · 工程科学学报，第 42 卷，第 9 期