秦蓉等：铌硅基高温合金定向凝固铸造温度场模拟计算 1167 铌硅基高温合金和型壳的热物性参数均采用 1.2 模拟方法 实验测试，包括：利用MHTC96高温量热仪测试 LMC定向凝固工艺模型主要包括加热区、隔 比热容，温度范围为25~1400℃，样品尺寸φ4.9mm× 热挡板以及冷却区三个部分.根据定向凝固炉实 18mm,升温速率10℃min:利用DLF-2800激光 际尺寸，建立有限元模型如图1(b)所示.设置俦件 脉冲法导热系数测定仪测试热扩散，温度范围为 初始温度为2000℃，液态金属锡的温度为350℃ 25~1500℃，样品尺寸12.7mm×3mm,升温速 为了提高计算效率，炉体部分采用2D网格划分， 率10℃min;室温密度采用阿基米德原理法进行 铌硅基高温合金铸件、型壳以及激冷盘采用3D网 测试，样品大小5mm×5mm×5mm. 格划分 定向凝固过程主要换热界面包括铌硅基高温 模拟结果的准确性依赖于边界条件和热物性 合金与型壳、铌硅基高温合金与激冷盘、激冷盘 参数的准确确定.本文采用等温淬火实验，确定了 与型壳、激冷盘与水等.将定向凝固过程中铌硅 铌硅基高温合金的固相线温度：采用仪器实际测 基高温合金与型壳、铌硅基高温合金与激冷盘、 量与热力学软件计算相结合的办法，确定了铌硅 激冷盘与型壳的传热行为采用如图1(c)所示的装 基高温合金和型壳的热物性参数；通过界面换热 置进行研究，其中304不锈钢-型壳-铌硅基高温 实验确定了定向凝固过程中各界面换热系数.并 合金实验由两个换热界面，可以测得304不锈钢- 将所有得到的热物性参数和边界条件应用到本文 型壳和型壳-铌硅基高温合金的界面换热系数.实 的数值模拟中 验中圆棒的尺寸均为中15mm×120mm,型壳厚度 5mm,为了更准确记录传热过程中温度变化，从距 2结果与讨论 离接触端面1mm处打1mm×7.5mm的深沉孔， 2.1关键热物性参数及界面换热系数确定 再向下5mm打相同直径和深度的深沉孔.采用电 2.1.1热物性参数 阻加热炉分别将下端加热到600~750℃，上端加 为了确定本文中铌硅基高温合金的固相线温 热到275~475℃，保温一定时间后将两端面紧密 度，本文在1580、1600、1620℃分别进行等温淬火 接触，同时采集温度变化数据.激冷盘与水的界面 实验，并观察淬火后的微观组织，实验结果如图2 换热系数测试实验也采用图1(c)装置，将尺寸为 所示.图2(a)所示为1580℃等温淬火后的微观组 中15mm×10mm的304不锈钢圆柱件放置在下端 织，合金由初生Nbs(铌基体)和Nbss+NbSi3共晶 电阻加热炉加热至800℃，并迅速进行水冷，通过 热电偶实时记录其中心位置温度变化 铌硅基高温合金的固相线温度采用等温淬火 实验测试，实验选择20mm×30mm×40mm石墨 模具，钻孔放入铌硅基高温合金、为了避免铌硅基 高温合金与石墨模具反应，在样品表面裹上一层 较厚的氧化钇.选择1580、1600和1620℃保温 5min,然后进行淬火实验（水淬）.按照Hunt Kurz和Fisher16提出的模型计算数值模拟结果中 的一次枝晶间距： y=AG克.Vi, 式中，A是与材料有关的常数，G为纵向温度梯度， I01 V为凝固速率.在不同高度的横截面微观组织图， 按照下式统计实验结果中的一次枝晶间距： Incipient melting 10m 100mm 图2不同温度下等温淬火实验.(a)1580℃：(b)1600℃：(c)图(b)中 虚线方框处局部放大图：(d)1620℃ 式中，S为500倍微观组织图所对应面积，N为该 Fig.2 Austempering experiments at different temperatures:(a)1580 C; 面积对应的枝晶个数，n,为单位面积内的枝晶 (b)1600 C;(c)a partial enlarged view of the area enclosed by the dotted 数目. line in(bh(d)1620℃铌硅基高温合金和型壳的热物性参数均采用 实验测试，包括：利用 MHTC 96 高温量热仪测试 比热容，温度范围为 25～1400 ℃，样品尺寸 ϕ4.9 mm × 18 mm，升温速率 10 ℃·min−1；利用 DLF-2800 激光 脉冲法导热系数测定仪测试热扩散，温度范围为 25～1500 ℃，样品尺寸 ϕ12.7 mm × 3 mm，升温速 率 10 ℃·min−1；室温密度采用阿基米德原理法进行 测试，样品大小 5 mm × 5 mm × 5 mm. 定向凝固过程主要换热界面包括铌硅基高温 合金与型壳、铌硅基高温合金与激冷盘、激冷盘 与型壳、激冷盘与水等. 将定向凝固过程中铌硅 基高温合金与型壳、铌硅基高温合金与激冷盘、 激冷盘与型壳的传热行为采用如图 1（c）所示的装 置进行研究，其中 304 不锈钢–型壳–铌硅基高温 合金实验由两个换热界面，可以测得 304 不锈钢– 型壳和型壳–铌硅基高温合金的界面换热系数. 实 验中圆棒的尺寸均为 ϕ15 mm × 120 mm，型壳厚度 5 mm，为了更准确记录传热过程中温度变化，从距 离接触端面 1 mm 处打 ϕ1 mm × 7.5 mm 的深沉孔， 再向下 5 mm 打相同直径和深度的深沉孔. 采用电 阻加热炉分别将下端加热到 600～750 ℃，上端加 热到 275～475 ℃，保温一定时间后将两端面紧密 接触，同时采集温度变化数据. 激冷盘与水的界面 换热系数测试实验也采用图 1（c）装置，将尺寸为 ϕ15 mm × 10 mm 的 304 不锈钢圆柱件放置在下端 电阻加热炉加热至 800 ℃，并迅速进行水冷，通过 热电偶实时记录其中心位置温度变化. 铌硅基高温合金的固相线温度采用等温淬火 实验测试，实验选择 20 mm × 30 mm × 40 mm 石墨 模具，钻孔放入铌硅基高温合金. 为了避免铌硅基 高温合金与石墨模具反应，在样品表面裹上一层 较厚的氧化钇. 选择 1580、1600 和 1620 ℃ 保温 5 min，然后进行淬火实验（水淬） . 按照 Hunt[15]、 Kurz 和 Fisher[16] 提出的模型计算数值模拟结果中 的一次枝晶间距 γ： γ = A·G − 1 2 ·V − 1 4 , 式中，A 是与材料有关的常数，G 为纵向温度梯度， V 为凝固速率. 在不同高度的横截面微观组织图， 按照下式统计实验结果中的一次枝晶间距： γ = √ S N = √ 1 np 式中，S 为 500 倍微观组织图所对应面积，N 为该 面积对应的枝晶个数， np 为单位面积内的枝晶 数目. 1.2    模拟方法 LMC 定向凝固工艺模型主要包括加热区、隔 热挡板以及冷却区三个部分. 根据定向凝固炉实 际尺寸，建立有限元模型如图 1（b）所示. 设置铸件 初始温度为 2000 ℃，液态金属锡的温度为 350 ℃. 为了提高计算效率，炉体部分采用 2D 网格划分， 铌硅基高温合金铸件、型壳以及激冷盘采用 3D 网 格划分. 模拟结果的准确性依赖于边界条件和热物性 参数的准确确定. 本文采用等温淬火实验，确定了 铌硅基高温合金的固相线温度；采用仪器实际测 量与热力学软件计算相结合的办法，确定了铌硅 基高温合金和型壳的热物性参数；通过界面换热 实验确定了定向凝固过程中各界面换热系数. 并 将所有得到的热物性参数和边界条件应用到本文 的数值模拟中. 2    结果与讨论 2.1    关键热物性参数及界面换热系数确定 2.1.1    热物性参数 为了确定本文中铌硅基高温合金的固相线温 度，本文在 1580、1600、1620 ℃ 分别进行等温淬火 实验，并观察淬火后的微观组织，实验结果如图 2 所示. 图 2（a）所示为 1580 ℃ 等温淬火后的微观组 织，合金由初生 Nbss(铌基体) 和 Nbss+Nb5Si3 共晶 (a) (b) (c) (d) HfO2 Nb5Si3 Nbss Incipient melting 10 μm 10 μm 100 μm 100 μm 100 μm Eutectic reaction 图 2    不同温度下等温淬火实验. （a）1580 ℃；（b）1600 ℃；（c）图（b）中 虚线方框处局部放大图；（d）1620 ℃ Fig.2    Austempering experiments at different temperatures: (a) 1580 ℃; (b) 1600 ℃; (c) a partial enlarged view of the area enclosed by the dotted line in (b); (d) 1620 ℃ 秦    蓉等： 铌硅基高温合金定向凝固铸造温度场模拟计算 · 1167 ·