高中壓轉(zhuǎn)子鑄錠凝固過(guò)程數(shù)值模擬及服役條件下組織演變研究.pdf

1、超超臨界汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子作為典型的大型鍛件產(chǎn)品，其生產(chǎn)制造流程中大型鋼錠的鑄錠是最關(guān)鍵環(huán)節(jié)，大型鑄錠質(zhì)量是決定鍛件產(chǎn)品質(zhì)量的重要基礎(chǔ)。而鑄錠質(zhì)量主要與凝固過(guò)程控制相關(guān)，因此，有必要對(duì)鑄錠凝固過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)深入研究。另一方面，高中壓轉(zhuǎn)子在長(zhǎng)期服役過(guò)程中，涉及高溫和應(yīng)力作用下微觀組織演變等組織穩(wěn)定性理論問(wèn)題，需要全面系統(tǒng)地了解高中壓轉(zhuǎn)子材料在高溫/力作用下微觀組織亞結(jié)構(gòu)演變規(guī)律。這是超超臨界汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子產(chǎn)品開發(fā)和使用中面臨的兩個(gè)核心理論問(wèn)

2、題，必須深入開展理論研究，為制造工程提供科學(xué)支撐。
　　針對(duì)上述兩個(gè)核心問(wèn)題，以高中壓轉(zhuǎn)子用材X12CrMoWVNbN10-1-1為例，開展了系統(tǒng)探究，主要的研究?jī)?nèi)容與研究結(jié)果如下：
　　1.運(yùn)用ProCast軟件對(duì)大型鑄錠凝固過(guò)程中溫度場(chǎng)、流場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算。并根據(jù)改進(jìn)型Niyama判據(jù)對(duì)鑄錠中心疏松分布進(jìn)行預(yù)測(cè)。結(jié)果表明，中心疏松缺陷呈細(xì)長(zhǎng)條帶分布。建立了表征中心疏松區(qū)域尺度的判據(jù)函數(shù)N=Hporosity/Hingot，

3、其中Hporosity為疏松帶長(zhǎng)度，Hingot為鑄錠高度，結(jié)果表明，錠身高徑比從1.0增加至1.5，判據(jù)函數(shù)N值基本按二次多項(xiàng)式規(guī)律增加，其數(shù)值由0.274增加至0.509；而錠身錐度由6％增加至12%，N值基本按線性規(guī)律遞減，其數(shù)值由0.378減小到0.309。
　　2.采用CAFE（元胞有限元）法對(duì)鑄錠宏觀組織進(jìn)行模擬計(jì)算，通過(guò)低倍組織檢驗(yàn)對(duì)數(shù)值模擬準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。并基于此CAFE模型，研究形核密度以及過(guò)熱度對(duì)柱狀晶和等軸晶

4、分布、芯部等軸晶晶粒尺寸等幾方面的影響規(guī)律。
　　3.為縮小冒口尺寸，開發(fā)了冒口感應(yīng)加熱專利技術(shù)。通過(guò)數(shù)值模擬定量描述了感應(yīng)加熱過(guò)程中溫度場(chǎng)及流場(chǎng)分布，研究了電參數(shù)（輸入功率、頻率）及線圈設(shè)計(jì)（熔體與線圈間距、線圈高度）對(duì)感應(yīng)加熱過(guò)程的影響。結(jié)果表明：冒口感應(yīng)加熱技術(shù)可以控制鑄錠冒口的凝固過(guò)程，影響冒口區(qū)域流場(chǎng)分布，并且隨著加熱功率提高，縮孔形態(tài)由窄而深的“V字型”轉(zhuǎn)變?yōu)闇\而平的“碗狀”，縮孔深度大大減少。以200kg中間試驗(yàn)鑄錠

5、為例，通過(guò)冒口感應(yīng)加熱使得縮孔深度相對(duì)減小了40%。
　　4.650℃時(shí)效結(jié)果表明，時(shí)效750h后，開始有Laves相析出。時(shí)效10000h后，基體α相和Laves相存在的位向關(guān)系為：{011}α∥{0001}Laves、{41—1}α∥{0001}Laves、{1—11—}α∥{0001}Laves、{01—1}α∥{2—110}Laves、{211—}α∥{1—101}Laves。
　　5.650℃/300h蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果

6、表明，蠕變應(yīng)力促進(jìn)了馬氏體板條寬化程度，蠕變應(yīng)力從0增至170MPa，馬氏體板條寬度由330nm增至465nm。M23C6尺寸由97nm增加至130nm，數(shù)量密度由2.55個(gè)/μm2減少至2.08個(gè)/μm2；而MX型析出相尺寸和數(shù)量密度相對(duì)穩(wěn)定，分別為80nm和2.8個(gè)/μm2，蠕變應(yīng)力沒(méi)有對(duì)其產(chǎn)生明顯影響。初生Laves大多沿50-60°大角度晶界析出，蠕變應(yīng)力會(huì)促進(jìn)Laves相沿晶界和板條界的形核長(zhǎng)大。
　　通過(guò)EBSD、TE

7、M、XRD等先進(jìn)手段針對(duì)高中壓轉(zhuǎn)子服役過(guò)程中熱作用下的Laves與基體相位向關(guān)系、熱-應(yīng)力綜合作用下組織演變理論問(wèn)題所進(jìn)行的深入剖析，豐富和拓展了我國(guó)超超臨界高中壓轉(zhuǎn)子材料服役條件下的組織性能穩(wěn)定性研究理論體系。高中壓轉(zhuǎn)子材料鑄錠凝固過(guò)程的數(shù)值模擬計(jì)算研究結(jié)果深化了凝固過(guò)程所涉及的溫度場(chǎng)、縮孔及中心疏松缺陷分布、凝固宏觀組織分布等理論問(wèn)題的認(rèn)識(shí)，可對(duì)我國(guó)高中壓轉(zhuǎn)子用大型鑄錠生產(chǎn)中鋼錠模設(shè)計(jì)優(yōu)化提供理論依據(jù)與技術(shù)指導(dǎo)，具有顯著的工程實(shí)踐意