王潤(rùn)楠，許慶彥，柳百成

清華大學(xué)材料學(xué)院，北京 100084

特約專稿

計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片制造中的應(yīng)用

王潤(rùn)楠，許慶彥?，柳百成??

清華大學(xué)材料學(xué)院，北京 100084

航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造工藝繁瑣，在高溫高壓環(huán)境下服役需要使用特殊的材料——單晶高溫合金。隨著葉片幾何結(jié)構(gòu)的日趨復(fù)雜(如空心、薄壁等)，單純依靠經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行葉片研制和工藝開(kāi)發(fā)已經(jīng)落后于時(shí)代的要求，而模擬仿真技術(shù)不僅能夠計(jì)算凝固過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)，極大地豐富研發(fā)手段，而且能夠精準(zhǔn)、高效、可視化地分別針對(duì)缺陷、性能進(jìn)行預(yù)測(cè)和優(yōu)化，從而達(dá)到工藝-組織-性能相耦合的多尺度、全流程模擬的目標(biāo)。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)；單晶葉片；模擬仿真；工藝優(yōu)化

近期，國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)C919的下線以及支線飛機(jī)ARJ21的投入運(yùn)營(yíng)，標(biāo)志著中國(guó)航空產(chǎn)業(yè)正處于高速發(fā)展的黃金時(shí)期。這兩款飛機(jī)都是中國(guó)按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)研制的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的飛機(jī)，這足以讓國(guó)人感到驕傲，但中國(guó)在飛機(jī)的心臟——航空發(fā)動(dòng)機(jī)(簡(jiǎn)稱航發(fā))領(lǐng)域的研發(fā)滯后，又讓人們?cè)隍湴林懈械揭唤z擔(dān)憂，畢竟航發(fā)的好壞決定了飛機(jī)的性能是否理想。隨著國(guó)家“兩機(jī)(航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī))重大專項(xiàng)”的立項(xiàng)，以及中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)的成立，航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)又一次引起各大媒體的關(guān)注。

雖然航空發(fā)動(dòng)機(jī)每次一出現(xiàn)就會(huì)引起大家的關(guān)注，但大多數(shù)人對(duì)航發(fā)的原理、結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部零部件的制造過(guò)程還比較陌生。航發(fā)的結(jié)構(gòu)原理較為復(fù)雜，本文將先對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，隨后延伸到內(nèi)部的重要零件——渦輪葉片。該葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且長(zhǎng)期工作在高溫、高壓、高離心力等極端環(huán)境，因此對(duì)制造工藝要求很高，工藝窗口狹窄，僅靠傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)-經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ揭阎饾u不能滿足葉片的研發(fā)需求。模擬仿真技術(shù)的出現(xiàn)及時(shí)彌補(bǔ)了這一缺陷，本文將介紹模擬技術(shù)的原理以及在葉片制造、組織模擬、缺陷預(yù)測(cè)和工藝優(yōu)化等環(huán)節(jié)中的重要應(yīng)用。

1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)

1.1 主要結(jié)構(gòu)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)與一般的地面用燃?xì)廨啓C(jī)工作原理相似，主要由壓氣機(jī)、燃燒室和渦輪成直線形狀排列組成，如圖1所示。經(jīng)若干級(jí)壓氣機(jī)壓縮后的空氣與燃料在燃燒室混合后燃燒，形成高溫、高壓燃?xì)?，逐?jí)推動(dòng)渦輪葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，形成動(dòng)力，該扭矩再通過(guò)中心主軸傳遞回壓氣機(jī)繼續(xù)壓縮空氣。航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造工藝繁瑣，服役條件苛刻，被稱為“工業(yè)界的皇冠”。位于燃燒室后部的渦輪葉片，工作時(shí)承受高溫、高壓等極限環(huán)境，是整機(jī)中最重要的零部件，被稱為“皇冠上的明珠”。如果說(shuō)一片壓氣機(jī)葉片的價(jià)格相當(dāng)于一臺(tái)電視機(jī)，那么一片渦輪葉片的價(jià)格則不亞于一輛奧迪轎車。目前，一級(jí)渦輪葉片進(jìn)氣初溫已經(jīng)超過(guò)1 700 ℃，燃?xì)馑俣瓤蛇_(dá)750 m/s，葉尖轉(zhuǎn)速達(dá)500 m/s。如此高的轉(zhuǎn)速不可避免地帶來(lái)巨大的離心力。據(jù)測(cè)算，一個(gè)質(zhì)量?jī)H僅為50 g的葉片，其所承受的離心載荷超過(guò)2 t，此外還要承受燃?xì)饨o予的巨大彎曲載荷等[1]。

圖1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與組成[2]

渦輪葉片經(jīng)過(guò)60余年的發(fā)展，研究人員通過(guò)不斷優(yōu)化合金成分[3]和制造工藝等，使得零部件組織與性能都有較大幅度的提升。尤其是在精密鑄造定向凝固工藝發(fā)明以后，葉片中的橫向晶界明顯減少。隨后結(jié)合螺旋選晶器或者籽晶技術(shù)，研究者們成功地制備出不含大角晶界的單晶葉片(圖2)，大幅度地提升了高溫下葉片的蠕變、疲勞等力學(xué)性能。

圖2 葉片晶粒組織的演化過(guò)程：從等軸晶(a)到柱狀晶(b)到現(xiàn)在的單晶(c)，以及愈加復(fù)雜的葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如空心、薄壁(d)等

1.2 計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的作用

目前，制造單晶葉片的主要材料為鎳基高溫合金[4]，其所含元素種類繁多，通常達(dá)十幾種，不同的元素也會(huì)對(duì)零件的微觀組織和性能產(chǎn)生不同的影響。此外，隨著渦輪進(jìn)氣初溫的不斷提高，單純地依靠單晶材料已不能滿足制造高熱效率、大推重比的新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)要求。因此，人們必須不斷尋找其他能夠提升葉片承溫能力的輔助手段，如覆蓋于葉片表面的熱障涂層(TCB)以及葉片內(nèi)部空心冷卻氣道等[5]。傳統(tǒng)的葉片制造主要依靠工人師傅的經(jīng)驗(yàn)，輔以一些實(shí)驗(yàn)和測(cè)試，而對(duì)越來(lái)越復(fù)雜的葉片結(jié)構(gòu)(空心、薄壁)，通過(guò)這種方法進(jìn)行葉片設(shè)計(jì)、工藝摸索以及改良優(yōu)化，流程繁瑣漫長(zhǎng)，已不能滿足時(shí)代的發(fā)展要求。逐漸崛起的“數(shù)字化制造”技術(shù)已經(jīng)成為科學(xué)和工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。美國(guó)結(jié)合其航空、汽車和艦船等先進(jìn)制造行業(yè)的發(fā)展需求，于2014年率先提出了集成計(jì)算材料工程(integrated computational materials engineering，ICME)的概念，將數(shù)字化模擬技術(shù)定位于從原子到飛機(jī)的每一個(gè)環(huán)節(jié)中都不可或缺的主要研發(fā)手段。

近年來(lái)，計(jì)算機(jī)的性能依摩爾定律飛速增長(zhǎng)，這使得通過(guò)大規(guī)模數(shù)值運(yùn)算進(jìn)行批量化的模擬仿真成為可能。葉片在凝固和熱處理過(guò)程中的缺陷頻發(fā)，如縮孔縮松、雜晶、雀斑和再結(jié)晶等[6-11](圖3)，都很大程度上阻礙了渦輪葉片性能的提升。在這種情況下，就有必要使用模擬技術(shù)獲得葉片(零件)制造過(guò)程中的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和缺陷位置等信息，并據(jù)此快速地對(duì)零件結(jié)構(gòu)和制造工藝進(jìn)行優(yōu)化，從而縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，降低成本并提升性能。通過(guò)模擬得到微觀組織和相應(yīng)微觀參數(shù)，能夠有效地對(duì)鑄件質(zhì)量和性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，達(dá)到工藝-組織-性能相耦合的全流程、多尺度計(jì)算，為科學(xué)研究和工程技術(shù)應(yīng)用提供有力的工具。

2 計(jì)算機(jī)模擬仿真的原理

計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)主要面向零件的凝固和熱處理過(guò)程，獲得相應(yīng)的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、溶質(zhì)場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)等信息，并據(jù)此采用不同的模型算法進(jìn)行缺陷預(yù)測(cè)，如偏析、雜晶、澆不足和縮孔縮松等。此外，模擬零件的晶粒形貌、微觀組織形貌和影響零件性能的參數(shù)(枝晶臂間距等)也是模擬仿真技術(shù)的重要目標(biāo)[12-13]。研究人員們能夠使用模擬結(jié)果精準(zhǔn)、快捷地針對(duì)零件結(jié)構(gòu)和制造工藝中的不足之處進(jìn)行靶向優(yōu)化。

2.1 定向凝固過(guò)程物理模型

單晶和定向凝固高溫合金葉片常采用Bridgman法生產(chǎn)制造。在該工藝中，爐體內(nèi)環(huán)境為真空，不存在流態(tài)換熱介質(zhì)，鑄件和模殼間的換熱方式為傳導(dǎo)，模殼和外界的換熱方式為輻射。爐體中熱區(qū)和冷區(qū)被擋板隔開(kāi)，將鑄件從熱區(qū)抽拉至冷區(qū)的過(guò)程中鑄件上部(擋板以上的部分)不斷與熱區(qū)進(jìn)行大量輻射換熱，將鑄件上部保持在熔點(diǎn)以上的高溫狀態(tài)。鑄件下部通過(guò)低溫區(qū)輻射將模殼冷卻，使鑄件下部快速凝固。因此在擋板處的糊狀區(qū)存在較大的溫度梯度，促使下部產(chǎn)生的晶粒沿著溫度梯度向上生長(zhǎng)，直至長(zhǎng)滿整個(gè)葉片，制成單晶或柱狀晶葉片。通過(guò)之前的研究發(fā)現(xiàn)，橫向的晶界處在葉片使用過(guò)程中最容易斷裂或出現(xiàn)其他失效情況，因此消除了橫向晶界的單晶或柱狀晶葉片能夠有效地避免晶界失效情況，大幅提高葉片的力學(xué)性能和使用壽命。

圖3 單晶高溫合金渦輪葉片中出現(xiàn)的缺陷

在計(jì)算過(guò)程中，為了以最小的計(jì)算量來(lái)最大限度地?cái)M合實(shí)際定向凝固情況，通常將該過(guò)程簡(jiǎn)化成某種物理模型。以Bridgman法為例(圖4)，通常把整個(gè)爐體簡(jiǎn)化為若干部分：上加熱區(qū)、下加熱區(qū)、擋板、水冷環(huán)和冷卻區(qū)。在不同區(qū)域施加不同的溫度和界面條件。金屬液、型殼和激冷盤與上述區(qū)域隨時(shí)間相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

圖4 單晶葉片的Bridgman法示意圖

2.2 溫度場(chǎng)計(jì)算方法

對(duì)于定向凝固過(guò)程來(lái)說(shuō)，最重要也是最基本的就是溫度場(chǎng)的求解?？刂品匠虨槿缦滦问剑?/p>

等式右端第一項(xiàng)為導(dǎo)熱項(xiàng)，第二項(xiàng)為潛熱項(xiàng)，第三項(xiàng)為輻射換熱項(xiàng)。ρ、cp、T、t、λ、H和fs分別為密度、比熱容、溫度、時(shí)間、界面換熱系數(shù)、潛熱和固相率。

對(duì)于輻射換熱項(xiàng)的求解，可以采取窮舉法或射線追蹤法。在此采用改進(jìn)的射線追蹤法。其思想為將某面片單元與全空間的輻射換熱在角坐標(biāo)下離散，計(jì)算該面片相對(duì)不同方位單元的角系數(shù)，該角系數(shù)在計(jì)算過(guò)程中隨時(shí)間/空間更新，再根據(jù)斯特藩-玻爾茲曼定律(Stefan-Boltzmann law)計(jì)算其最終的輻射換熱強(qiáng)度?；痉匠倘绻?2)～(4)所示。詳細(xì)的計(jì)算模型與結(jié)果見(jiàn)文獻(xiàn)[14-16]。此外，還有流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)[17]、晶粒和微觀組織等計(jì)算模型與公式，限于篇幅，在此不一一贅述。

3 航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片計(jì)算機(jī)模擬及工藝優(yōu)化

3.1 溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果

航發(fā)渦輪葉片主要組成部分包括螺旋選晶器、葉身、緣板和榫頭。在螺旋選晶器下部激冷造成大量雜散晶粒形核，并沿逆熱流方向向上生長(zhǎng)。在通過(guò)螺旋幾何結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)，擇優(yōu)取向的、位于螺旋通道內(nèi)側(cè)的晶粒具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，最終晶粒數(shù)量不斷減少，留下了較符合擇優(yōu)取向的單個(gè)晶粒向葉身生長(zhǎng)，形成葉片單晶組織。葉片內(nèi)部空心冷卻氣道的形成則得益于型芯的作用，有利于提升單晶葉片承溫能力和高溫性能。圖5為單晶葉片定向凝固過(guò)程中溫度場(chǎng)分布數(shù)值模擬結(jié)果，該凝固過(guò)程基本符合單向傳熱特點(diǎn)?；跍囟葓?chǎng)的結(jié)果可以進(jìn)行相應(yīng)缺陷預(yù)測(cè)以及介觀晶粒組織的模擬等。

圖5 單晶葉片定向凝固過(guò)程中宏觀溫度場(chǎng)變化模擬

此外，由于金屬和陶瓷型殼(型芯)的熱膨脹系數(shù)隨溫度變化，并且陶瓷材料退讓性較差，因此在凝固過(guò)程中固態(tài)金屬不斷收縮可能導(dǎo)致某些位置出現(xiàn)一定的塑性變形量。這可能引發(fā)后續(xù)熱處理過(guò)程中再結(jié)晶晶粒的出現(xiàn)，引入新的晶界，嚴(yán)重破壞葉片的單晶組織。因此，我們采用了相應(yīng)的彈塑性模型，對(duì)具有各向異性力學(xué)性能的單晶材料進(jìn)行塑性變形量預(yù)測(cè)(圖6)，對(duì)渦輪葉片的制造精度提高和加強(qiáng)工程應(yīng)用也具有重要的意義。

3.2 晶粒組織和選晶過(guò)程模擬

CA算法是模擬零件宏觀、微觀組織的有效工具，它被廣泛應(yīng)用于鋼、鐵、鋁以及高溫合金等眾多合金組織模擬中[18-21]。大到若干厘米的宏觀晶粒，小至微米級(jí)的微觀枝晶，CA算法都能夠較好地模擬出它們的形貌。清華大學(xué)唐寧等采用CA-FD模擬了寬弦渦輪葉片的柱狀晶形貌(圖7和圖 8)，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，兩者吻合良好。

圖6 定向凝固過(guò)程中葉身兩側(cè)的等效塑性應(yīng)變分布，可進(jìn)一步用于熱處理過(guò)程靜態(tài)再結(jié)晶預(yù)測(cè)

圖7 寬弦葉片葉盆

圖8 寬弦葉片葉背

單晶葉片與其他材質(zhì)最大區(qū)別就是所用材料具有單晶組織。正因?yàn)樵摻M織的存在，消除了高溫條件下最容易引發(fā)葉片失效的晶界。單晶組織是如何長(zhǎng)成的呢？這就要從晶粒(枝晶)的形核與生長(zhǎng)的開(kāi)始講起。液態(tài)金屬冷卻時(shí)，當(dāng)其某處溫度與液相線的差(過(guò)冷度)達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，液態(tài)金屬中將出現(xiàn)凝固形核現(xiàn)象，進(jìn)而晶核生長(zhǎng)為晶粒，這是一個(gè)降低體系自由能的自發(fā)進(jìn)行的相變過(guò)程。對(duì)于渦輪葉片的主要材料鎳基高溫合金來(lái)說(shuō)，其面心立方晶體結(jié)構(gòu)中的[001]取向?yàn)榫Ш嗽谥钌L(zhǎng)中的優(yōu)先生長(zhǎng)方向。在普通的精密熔模鑄造過(guò)程中，零件的冷卻順序?yàn)樽酝庵羶?nèi)冷卻，凝固成的晶粒多為等軸晶(圖2(a))。等軸晶組織中晶界眾多，而零件在高溫下服役時(shí)最先失效的部位正是晶界，因此消除最大受力方向(離心力)的晶界將對(duì)提升葉片的高溫力學(xué)性能有著重要意義。

目前較為常用的制備柱狀晶(圖2(b))和單晶(圖2(c))的工藝為Bridgman法，其中生產(chǎn)單晶零件時(shí)通常在零件下方加入螺旋選晶器(包括引晶段和選晶段)。此外，由于高溫合金力學(xué)性能具有各向異性，沿[001]取向力學(xué)性能較好，因此在制備零件時(shí)，應(yīng)盡量使得晶粒的晶體學(xué)取向沿著葉片主要受力方向。圖9清楚地描繪了螺旋選晶器內(nèi)晶粒競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)過(guò)程，其中螺旋選晶器的設(shè)計(jì)尺寸、螺旋升角和螺徑等參數(shù)對(duì)選晶效果都有較大影響。圖10和圖11分別為通過(guò)模擬和實(shí)驗(yàn)手段獲得螺旋段不同高度截面二維晶粒形貌，兩者吻合較好。因此使用數(shù)值模擬技術(shù)可以輔助設(shè)計(jì)有效的螺旋選晶器。

引晶段同樣不可忽視，其與激冷盤直接接觸，換熱條件為熱傳導(dǎo)。由于激冷盤內(nèi)通有冷卻水，溫度較低，該激冷狀態(tài)能夠在引晶段底部形成眾多晶核，這些晶核沿著溫度梯度從下向上競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)。優(yōu)先生長(zhǎng)方向與抽拉方向(熱流方向)夾角較小的晶粒在該溫度梯度下具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，它們會(huì)逐漸淹沒(méi)夾角較大的晶粒。當(dāng)這些晶粒生長(zhǎng)至引晶段上部時(shí)，其數(shù)量已大大減少，并且留下來(lái)的晶粒多為擇優(yōu)取向晶粒，有利于提高葉片力學(xué)性能。圖12為引晶段試件截面晶粒密度隨高度變化的解析、實(shí)驗(yàn)和模擬的結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的吻合程度在指數(shù)減小區(qū)和線性減小區(qū)都比解析模型更為準(zhǔn)確。

圖9 螺旋選晶器晶體生長(zhǎng)和阻礙過(guò)程的模擬分析

圖10 螺旋選晶器不同高度截面晶粒競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)的模擬結(jié)果

圖11 螺旋選晶器不同高度截面EBSD晶粒取向圖

圖12 引晶段試件截面晶粒密度隨高度變化的解析、實(shí)驗(yàn)和模擬的結(jié)果對(duì)比

3.3 單晶葉片定向凝固工藝優(yōu)化

目前的渦輪葉片多為空心薄壁結(jié)構(gòu)，幾何形狀通常都比較復(fù)雜，這就給葉片的加工制造帶來(lái)了極大的難度，極易導(dǎo)致各種缺陷發(fā)生。例如：在渦輪葉片結(jié)構(gòu)中，緣板處由于突出葉身較多，較易出現(xiàn)獨(dú)立于葉身糊狀區(qū)的孤立過(guò)冷域。如果使用定拉速進(jìn)行定向凝固抽拉，在兼顧葉片質(zhì)量和生產(chǎn)效率的情況下，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)該處出現(xiàn)大面積雜晶(大角晶界)。為分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)處凝固過(guò)程并針對(duì)性地優(yōu)化工藝，我們使用模擬仿真技術(shù)對(duì)多種工藝方案進(jìn)行模擬優(yōu)化。

圖13為定向凝固葉片的溫度場(chǎng)演變。由于其緣板較大，通常較易在該位置出現(xiàn)雜晶，因此有必要采用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)凝固工藝進(jìn)行分析優(yōu)化。圖14為采用變拉速工藝前后，葉片的晶粒組織預(yù)測(cè)以及在具有代表性的特殊點(diǎn)溫度變化過(guò)程。分析模擬結(jié)果，可以針對(duì)局部需要改進(jìn)的地方進(jìn)行優(yōu)化，比如當(dāng)采用定拉速工藝時(shí)出現(xiàn)多雜晶形核并大面積生長(zhǎng)(圖14(b))，觀察到溫度曲線在緣板附近下降速率較快，糊狀區(qū)形貌表現(xiàn)為兩側(cè)高、中間低的凹形。在當(dāng)前抽拉速率下，橫向溫度梯度的形成趨勢(shì)將被加強(qiáng)，糊狀區(qū)以凹狀形態(tài)從葉身進(jìn)入緣板交界處，這將對(duì)鑄件的凝固順序產(chǎn)生不利的影響。經(jīng)上述分析后，在兼顧生產(chǎn)效率的情況下，將局部抽拉速度進(jìn)行調(diào)整：當(dāng)糊狀區(qū)即將從葉身進(jìn)入緣板處時(shí)，降低拉速以便在該位置獲得相對(duì)平緩的凝固條件，而當(dāng)糊狀區(qū)通過(guò)緣板進(jìn)入榫頭后，就可以適當(dāng)增大拉速提高效率。從圖 14(b)和14(d)的對(duì)比中，發(fā)現(xiàn)該措施明顯減小了緣板處雜晶形核、生長(zhǎng)的趨勢(shì)。圖14(c)為凝固溫度曲線。在降低局部拉速后，溫度曲線明顯變緩，降溫速率減小發(fā)生在變拉速之后200 s左右。

圖13 空心葉片凝固過(guò)程中凝固分?jǐn)?shù)為20%(a)、40%(b)、60%(c)和80%(d)時(shí)葉片溫度場(chǎng)分布

圖14 變拉速優(yōu)化前后溫度和晶粒組織的變化

(編輯：溫文)

4 總結(jié)與展望

本文從航空發(fā)動(dòng)機(jī)的原理結(jié)構(gòu)，進(jìn)而延伸到航發(fā)內(nèi)部最重要的零件——渦輪葉片的制造工藝，以及模擬仿真技術(shù)在葉片制造過(guò)程中的重要應(yīng)用。國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)C919雖然具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，但航發(fā)嚴(yán)重依賴進(jìn)口，采用的是法國(guó)CFM集團(tuán)的LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)。數(shù)字化模擬仿真技術(shù)是21世紀(jì)制造業(yè)創(chuàng)新和發(fā)展的重大機(jī)遇，如果利用得當(dāng)極有可能使我國(guó)航空制造(創(chuàng)新)水平和能力實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片作為難成形制造零件，非常適合基于模擬仿真技術(shù)的零件設(shè)計(jì)和工藝開(kāi)發(fā)。例如，直接模擬定向凝固過(guò)程中溫度場(chǎng)、流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)等，并基于此類宏觀場(chǎng)信息采用不同模型進(jìn)行介觀晶粒組織模擬，或者微觀枝晶組織模擬。利用上述模擬結(jié)果，能夠進(jìn)行預(yù)測(cè)缺陷、輔助葉片形狀設(shè)計(jì)和制造工藝優(yōu)化等。但在航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片制造的多尺度、全流程數(shù)值模擬中，還有眾多理論和技術(shù)層面的難點(diǎn)有待突破，如基于熱力學(xué)的晶粒生長(zhǎng)模型、復(fù)雜區(qū)域晶粒/枝晶競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制、適用于三維大尺度枝晶模擬的模型及相應(yīng)并行算法開(kāi)發(fā)等，在將來(lái)的研發(fā)工作都需要加以重視和解決。

(2016年11月8日收稿)■

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(編輯：溫文)

Application of computer simulation technology in turbine blades of aero engines manufacturing

WANG Runnan, XU Qingyan, LIU Baicheng
School of Materials Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China

Single crystal superalloy is widely used in the turbin blades of aero engines due to its outstanding mechanical properties under extreme conditions, such as high temperature and pressure. The traditional research and developing methods can’t meet the needs for the modern blades with more complicated structure. The situation became to change with the advent of numerical simulation technique. Various fi eld distributions during solidif i cation can be calculated based on the numerical simulation, so as to predict casting defects, mechanical properties and help to optimize the manufacturing process. This can lead to the full coupling of process-structureproperty and fulf i ll its goal of multi-scale, through-process simulation.

aero-engine, single crystal turbine blade, numerical simulation, process optimization

10.3969/j.issn.0253-9608.2017.02.001

?通信作者，E-mail: scjxqy@mail.tsinghua.edu.cn

??中國(guó)工程院院士，研究方向：材料加工工程、集成計(jì)算材料工程等