.1166 工程科学学报，第42卷，第9期 gradually narrowed from 11.5 mm to 10.4 mm.The discrepancy in the spacing of the primary dendrites between the numerical simulation and the actual experimental results at a withdrawal rate of 5 mm'min was within 6%,which verifies the correctness of the temperature-field simulation results.These results provide reference for the determination of the directional solidification casting parameters of turbine blades made of Nb-Si based alloys. KEY WORDS ProCAST;numerical simulation;directional solidification;liquid metal cooling;withdrawal rate 航空发动机推重比的增加，对高温合金的承 要问题.采用数值模拟方法研究定向凝固铸造过 温能力提出了更高要求.现有镍基单晶高温合金 程，具有可视化强、研发周期短、工艺研发成本低 因熔点较低(~1300℃)已经达到了承温极限-习， 等优点)]准确确定铌硅基合金的热物性参数及 而铌硅基高温合金具有高熔点（大于1750℃）、低 其在凝固过程中的界面换热行为是开展铌硅基高 密度(6.6~7.2gcm3)、较好的高温强度和可加工 温合金定向凝固铸造数值模拟的关键，有利于加快 性等特点，具备发展成为超高温结构材料的基本 铌硅基高温合金的研发，但迄今未见相关研究报道 条件.采用定向凝固工艺有望进一步提升铌硅基 基于上述背景，采用实际测试和计算外推相 高温合金的性能，为其替代镍基单品高温合金，发 结合的方法获得了铌硅基高温合金和型壳的热物 展为可在更高服役温度下使用的新一代航空发动 性参数，通过实验测试和反求法研究了定向凝固 机材料奠定基础 过程中多个界面的换热行为，建立了铌硅基高温 目前，铌硅基高温合金的研究工作主要集中 合金的定向凝固工艺模型，对铌硅基高温合金的 于合金化元素设计B-、制备工艺6以及热处理 定向凝固温度场进行了初步模拟，相关结果可为 制度研究-剧Guo等例研究发现，采用定向凝固工 确定铌硅基高温合金叶片定向凝固铸造参数、开 艺制备铌硅基高温合金，可获得Nbss和NbSi3相 展进一步的模拟和实验研究提供依据和参考 耦合生长、整齐排列的组织，可以显著提高合金的 1实验及模拟方法 力学性能：他们设计了具有良好力学性能和抗氧 化性能的Nb-18Si-24Ti-2Cr-2Al-2Hf(at%)铌硅 1.1实验方法 合金o.贾丽娜等山对定向凝固工艺制备的Nb- 参考前期研究结果，本文选用成分为Nb-20T1 14Si-22Ti-2Hf-2Al-4Cr(at%)合金在1250℃进 14Si-3Cr-3Al-2Hf(at%)的铌硅基高温合金进行 行压缩实验表明，与电弧熔炼态试样相比，定向凝 液态金属冷却法(liquid metal cooling,LMC)定向凝 固合金的抗压强度omax和屈服强度o2明显增加 固实验.冷却剂为液态金属锡，温度为350℃.激 Kang等21在1400℃下对合金进行了热处理，研究 冷盘材料为304不锈钢，厚度50mm,在定向凝固 TNb-xTi-16Si-3Cr-3Al-2Hf-yZr(at%,x+y=20) 过程中内部通循环冷却水.型壳材料为氧化钇和 合金经热处理后的室温强度和硬度变化.上述研 氧化锆的复合型壳材料，厚度为3mm.本文选取 究表明，定向凝固组织显著影响合金性能，因此明 由三根中15mm×200mm对称分布的圆柱形试样 确凝固工艺对合金组织的影响规律，实现铌硅基 组合模型进行试验，LMC定向凝固工艺示意图如 高温合金凝固组织精确控制成为了亟待解决的重 图1(a)所示 (b) (c) Resistance-heated furnace Heating furnace Cast Thermal baffle Chill plate Adiabatic layer Thermocouple Liquid Sn 因1铌硅基高温合金LMC定向凝固工艺示意图(a)与有限元模型(b)、界面换热实验装置示意图(c) Fig.I Schematic (a)and finite element model (b)of LMC directional solidification process of Nb-Si based alloys;schematic of experimental heat transfer device at interface(c)gradually  narrowed  from  11.5  mm  to  10.4  mm.  The  discrepancy  in  the  spacing  of  the  primary  dendrites  between  the  numerical simulation and the actual experimental results at a withdrawal rate of 5 mm·min−1 was within 6%, which verifies the correctness of the temperature-field  simulation  results.  These  results  provide  reference  for  the  determination  of  the  directional  solidification  casting parameters of turbine blades made of Nb–Si based alloys. KEY WORDS    ProCAST；numerical simulation；directional solidification；liquid metal cooling；withdrawal rate 航空发动机推重比的增加，对高温合金的承 温能力提出了更高要求. 现有镍基单晶高温合金 因熔点较低（～1300 ℃）已经达到了承温极限[1–2] ， 而铌硅基高温合金具有高熔点（大于 1750 ℃）、低 密度（6.6～7.2 g·cm−3）、较好的高温强度和可加工 性等特点，具备发展成为超高温结构材料的基本 条件. 采用定向凝固工艺有望进一步提升铌硅基 高温合金的性能，为其替代镍基单晶高温合金，发 展为可在更高服役温度下使用的新一代航空发动 机材料奠定基础. 目前，铌硅基高温合金的研究工作主要集中 于合金化元素设计[3– 4]、制备工艺[5– 6] 以及热处理 制度研究[7–8] . Guo 等[9] 研究发现，采用定向凝固工 艺制备铌硅基高温合金，可获得 NbSS 和 Nb5Si3 相 耦合生长、整齐排列的组织，可以显著提高合金的 力学性能；他们设计了具有良好力学性能和抗氧 化性能的 Nb–18Si–24Ti–2Cr–2Al–2Hf(at%) 铌硅 合金[10] . 贾丽娜等[11] 对定向凝固工艺制备的 Nb– 14Si–22Ti–2Hf–2Al–4Cr(at%) 合金在 1250 ℃ 进 行压缩实验表明，与电弧熔炼态试样相比，定向凝 固合金的抗压强度 σmax 和屈服强度 σ0.2 明显增加. Kang 等[12] 在 1400 ℃ 下对合金进行了热处理，研究 了 Nb–xTi–16Si–3Cr–3Al–2Hf–yZr(at%, x + y = 20) 合金经热处理后的室温强度和硬度变化. 上述研 究表明，定向凝固组织显著影响合金性能，因此明 确凝固工艺对合金组织的影响规律，实现铌硅基 高温合金凝固组织精确控制成为了亟待解决的重 要问题. 采用数值模拟方法研究定向凝固铸造过 程，具有可视化强、研发周期短、工艺研发成本低 等优点[13] . 准确确定铌硅基合金的热物性参数及 其在凝固过程中的界面换热行为是开展铌硅基高 温合金定向凝固铸造数值模拟的关键，有利于加快 铌硅基高温合金的研发，但迄今未见相关研究报道. 基于上述背景，采用实际测试和计算外推相 结合的方法获得了铌硅基高温合金和型壳的热物 性参数，通过实验测试和反求法研究了定向凝固 过程中多个界面的换热行为，建立了铌硅基高温 合金的定向凝固工艺模型，对铌硅基高温合金的 定向凝固温度场进行了初步模拟，相关结果可为 确定铌硅基高温合金叶片定向凝固铸造参数、开 展进一步的模拟和实验研究提供依据和参考. 1    实验及模拟方法 1.1    实验方法 参考前期研究结果[14] ，本文选用成分为Nb–20Ti– 14Si–3Cr–3Al–2Hf(at%) 的铌硅基高温合金进行 液态金属冷却法（liquid metal cooling, LMC）定向凝 固实验. 冷却剂为液态金属锡，温度为 350 ℃. 激 冷盘材料为 304 不锈钢，厚度 50 mm，在定向凝固 过程中内部通循环冷却水. 型壳材料为氧化钇和 氧化锆的复合型壳材料，厚度为 3 mm. 本文选取 由三根 ϕ15 mm × 200 mm 对称分布的圆柱形试样 组合模型进行试验，LMC 定向凝固工艺示意图如 图 1（a）所示. (a) (b) Resistance-heated furnace (c) Thermal baffle Adiabatic layer Heating furnace Chill plate Cast Liquid Sn Thermocouple 2 3 4 图 1    铌硅基高温合金 LMC 定向凝固工艺示意图（a）与有限元模型（b）、界面换热实验装置示意图（c） Fig.1     Schematic  (a)  and  finite  element  model  (b)  of  LMC  directional  solidification  process  of  Nb –Si  based  alloys;  schematic  of  experimental  heat transfer device at interface (c) · 1166 · 工程科学学报，第 42 卷，第 9 期