定向凝固过程铸型铸件双介质传热计算机实验研究

• 作 者: 李迎超
• 机 构: 上海大学
• 出 处: 上海大学
• 发表日期: 2005年期
• 关键词: 定向凝固方法 铸型铸件 温度场模拟 有限差分方法 双介质传热

定向凝固方法是一种具有较高技术含量的生产工艺，是生产柱状晶、单晶和自生复合材料等高科技产品的主要工业手段。它在涡轮叶片、单晶铜等具有重大经济、军事意义的产品的生产中有着广泛的应用。目前，在定向凝固生产中，还存在着一些问题，主要是抽拉速度、加热条件、冷却条件的配合不当，造成固液界面形态控制不好，从而导致凝固组织和铸件性能不能达到质量要求。
因为温度场的分布是定向凝固过程成败的关键。所以要解决定向凝固生产中存在的问题，就必须深入研究定向凝固过程的温度场。本文根据定向凝固过程的特殊要求，采用了有限差分的方法，开发了温度场模拟软件。重点处理好将铸型铸件系统以一定的抽拉速度从加热区拉到冷却区的HRS定向工艺过程，以及铸型铸件双介质导热的问题。
根据导热、对流、辐射这三种传热基本形式的物理定律，选用了内节点法对空间区域进行离散，建立了内部节点和边界节点的有限差分传热方程。
以柱晶涡轮叶片HRS定向凝固过程以及单晶铜棒的定向凝固过程，作为计算机模拟实验的对象。通过计算机实验和正交设计分析方法，开展了工艺因素对固液界面形态影响规律的研究，并取得了一系列规律性认识。发现固液界面位置越靠近绝热区，则越有利于柱晶及单晶的生长。定向凝固过程的计算机实验为解决定向凝固生产实践中发散度提供了技术途径。
论文在温度场计算机模拟方面还做了以下具有创新性的工作：1、开发了有限元网格转换为有限差分网格以及利用解析几何自动生成有限差分网格的程序。
2、开发了铸型-铸件耦合程序，以处理温度场中的双介质传热问题。
通过铝锭凝固物理实验验证，证明了自行开发的温度场模拟程序，其计算机模拟结果基本与实际吻合。