[发明专利]基于固—液界面稳恒控制的高温合金单晶叶片定向凝固方法

权利要求书

1.一种基于固—液界面稳恒控制的高温合金单晶叶片定向凝固方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）建立HRS定向凝固过程的三维数值模型；

（2）采用预埋热电偶的方式获取叶片在定向凝固过程的实际温度场变化；

（3）根据叶片实际温度场变化，对三维数值模型进行优化；

（4）建立有效的HRS定向凝固抽拉速度调节判据；

（5）基于三维数值模型和抽拉速度调节判据，计算固—液界面稳恒推进的抽拉速度曲线v(t)；

（6）以抽拉速度曲线v(t)为准，制备单晶叶片；

步骤（4）建立有效的HRS定向凝固抽拉速度调节判据，包括以下三条：

判据一，当宏观固—液界面与冷隔板之间的相对位置偏上时，增大抽拉速度；相对位置偏下时，减小抽拉速度；

判据二，当固—液界面处枝晶尖端间的极差大于最大临界值时，增大抽拉速度；极差小于最小临界值时，减小抽拉速度，所述临界值根据模拟结果、工业试验数据以及合金的临界形核过冷度确定；

判据三，当宏观固—液界面推进速率与抽拉速度的差值为正值时，减小抽拉速度；差值为负值时，增大抽拉速度；

初始抽拉速度根据经验拟定，抽拉速度的调节从螺旋选晶器结束段开始，只涉及单晶生长阶段。

2.根据权利要求1所述的一种基于固—液界面稳恒控制的高温合金单晶叶片定向凝固方法，其特征在于，步骤（1）建立HRS定向凝固过程的三维数值模型具体方法为：使用FLUENT数值模拟软件和C语言编译环境，将定向凝固设备、叶片铸型以及模壳的几何形状做简化后输入，采用软件内置模块进行网格剖分，再在软件内输入合金、模壳以及炉膛各部分材料的物性参数，最后对数值模型进行调试和修正。

3.根据权利要求1所述的一种基于固—液界面稳恒控制的高温合金单晶叶片定向凝固方法，其特征在于，步骤（2）所述热电偶采用铂铑热电偶，预埋在模壳表面和内部的不同高度处，所述热电偶通过热电偶补偿导线与定向凝固室的真空电极连接，然后与温度采集器连接；所述温度采集器温度采集范围为0～1800℃，温度采集频率为10～1000Hz。

4.根据权利要求1所述的一种基于固—液界面稳恒控制的高温合金单晶叶片定向凝固方法，其特征在于，步骤（3）HRS定向凝固三维数值模型优化的具体方法为，根据试验和生产的铸造工艺参数，设置与三维数值模型对应的初始条件和边界条件，根据热电偶位置，设定与三维数值模型对应的监测点，并提取当地温度值，对比模拟值与实测值的差异，调整定向凝固设备的模壳与结晶器、模壳与合金液以及合金液与结晶器之间的热阻，以及模壳表面、加热体、冷隔板以及水冷壁的表面发射率，使测温曲线模拟值与实测值的偏差控制在5%以内。

5.根据权利要求1所述的一种基于固—液界面稳恒控制的高温合金单晶叶片定向凝固方法，其特征在于，步骤（5）基于三维数值模型和抽拉速度调节判据，计算固—液界面稳恒推进的抽拉速度曲线v(t)，具体方法为：选取时间步长和调节速度步长，依次对HRS定向凝固过程中每一步的宏观固—液界面与冷隔板的相对位置、固—液界面处枝晶尖端间的极差、宏观固—液界面推进速度与抽拉速度的差值进行读取，然后判断抽拉速度是否进行调整，如果不需调整则执行下一时间步长，如需调整则将调整后的抽拉速度输入到上一时间步长重新计算，当所有过程都计算结束后，即得到抽拉速度随时间的抽拉速度曲线v(t)。

6.根据权利要求5所述的一种基于固—液界面稳恒控制的高温合金单晶叶片定向凝固方法，其特征在于，所述的调节速度步长取值范围为1μm/s~10μm/s，时间步长取值范围为10s~120s，具体根据叶片的具体形状和设备的具体参数确定，所得v(t)曲线采用高斯滤波对工艺曲线进行降噪。

7.根据权利要求1所述的一种基于固—液界面稳恒控制的高温合金单晶叶片定向凝固方法，其特征在于，步骤（6）具体步骤为，将得到的抽拉速度曲线v(t)输入HRS定向凝固设备中，选取该型号的单晶叶片模壳和高温合金进行单晶叶片制备。