[发明专利]单晶叶片生产的自适应变速抽拉仿真方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种单晶叶片生产的自适应变速抽拉的方法，特别涉及一种采用数值模拟技术制定单晶叶片变速抽拉工艺的速度曲线的方法。

背景技术

涡轮单晶叶片在航空和民用领域都有重要应用，可被用来作为飞机发动机的导向叶片、涡轮叶片或者民用燃气机的叶片。单晶叶片的制造技术也备受各国材料加工方向专家所重视。目前，仅从速度工艺角度来分，单晶叶片生产分为定速抽拉工艺和变速抽拉工艺两种，以下是当前两种工艺的特点对比：

从以上两种拉速工艺对比结果可以得出：

1.定速抽拉工艺已经发展成熟，能稳定用于单晶叶片生产，并且也将数值模拟技术成功应用于工业生产中；但是，定速抽拉工艺存在生产率低、成本高、部分复杂形状(如大突变截面)零件难加工等固有缺点，而无法长期发展，并且已经逐步退出工业应用，其最终也会被变速抽拉工艺所完全替代；

2.变速抽拉工艺现在尚属发展阶段，并且逐步用于生产实际，该工艺灵活设计抽拉速度工艺，提高了生产效率和产品合格率，适应低碳环保的科学工艺要求。我国已经能够自行研制单晶叶片，但是与美国的P&W公司、GE公司、英国罗罗公司的叶片生产的高合格率相比还有一定差距。目前，变速工艺曲线的确定主要面临如下困难：工艺确定需要大量的调试，变速时间和大小确定缺乏充足的理论根据，尽管已经引入数值模拟技术进行优化分析，但是变速时间和深度仍然依靠经验提前确定，数值模拟技术优势并未完全发挥。目前生产上广泛采用单级变速工艺，关于多级变速的研究和实践尚未见到报道。

提出一种可行的方法，能够合理、快速的给出一套抽拉速度随时间变化曲线v(t)，再次提高生产效率，大幅降低工艺调试周期和成本，是定向凝固工艺生产单晶叶片发展的必由之路。

发明内容

本发明的目的在于提出一种单晶叶片生产的自适应抽拉速度方法，该方法利用数值模拟技术，以工业合格标准为指导，对单晶叶片生产工艺的抽拉速度进行优化，给出抽拉速度随时间变化曲线v(t)，降低工艺调试周期，降低成本，合理提高生产效率，解决了生产单晶叶片确定多级变化抽拉速度的问题。

本发明的思路：本发明所述的单晶叶片生产自适应变速抽拉方法首先实现对叶片凝固过程的测试模拟，测试模拟结合实验测温结果，修正并确定适合当前炉体设备的模拟用基本参数；随后进入预测模拟阶段，目的为通过模拟计算输出适合实际单晶生产叶片的抽拉速度随时间变化曲线v(t)，在预测模拟过程中，采用神经网络算法根据单晶叶片截面变化情况初步确定抽拉速度随时间变化曲线，而后进行抽拉速度优化，抽拉速度优化计算根据变速判据和变速规则完成，最终输出一套符合实际叶片生产要求的抽拉速度随时间变化曲线v(t)，其中变速判据以单元的热流方向、液相凝固面位置及杂晶形核为考察标准，变速规则分为减速规则和增速规则，其根据PID控制原理对抽拉速度进行优化。

本发明的特征在于，依次含有以下步骤：

步骤(1)，构建一个基于数值模拟方法的计算机-实验装置系统：

所述实验装置，包括：定向凝固炉及钨/铼热电偶，其中：

定向凝固炉，炉体简化为用挡板隔离的位于上部的加热区和位于下部的冷却区，在所述的冷却区的抽拉机构由圆形结晶器和抽拉推杆连接组成，所述圆形结晶器上装有浇注用的叶片型壳，在所述抽拉机构作用下，所述叶片型壳穿过所述挡板上的孔，能够在所述加热区和冷却区之间做上下往复运动，在所述叶片型壳的空腔内对应单晶叶片的引晶段、螺旋选晶段、叶身、上部缘板、下部缘板以及榫头处设定测温点，至少6个点，所述挡板水平地连接在定向凝固炉内炉壁两侧的中部位置，

钨/铼热电偶，在测定所述叶片型壳测温点的温度时，该钨/铼热电偶的输出端向所述计算机输入对应测温点的温度，

所述计算机，预置有FT-Star软件；

步骤(2)，依次按以下步骤进行单晶叶片生产用的自适应变速抽拉仿真过程：

步骤(2.1)，操作员向所述计算机输入单晶叶片生产所用材料的模拟用的基本参数，

其中包括：热传导系数，辐射换热系数，所用合金的物理参数：比热、潜热、密度和固/液相线温度，定向凝固炉体参数：所述加热区直径和高度、所述冷却区直径和高度、挡板厚度和圆盘结晶器直径，同时，输入固定抽拉速度值3mm/min，

步骤(2.2)，操作员向所述计算机输入所述单晶叶片型壳的三维简化模型，所述计算机用所述FT-Star软件对该三维简化模型用正六面体单元进行三维离散化，