高温合金对于航空发动机和燃气轮机的发展至关重要,制备高温合金单晶叶片主要涉及材料和工艺两部分。目前制备镍基高温合金叶片最主要的工艺是基于Bridgman的铸件移出或膜壳移出法的快速凝固法(HRS)。对定向凝固高温合金凝固过程和微观组织的模拟,研究高温合金的重要手段和方法,相较于实验,具有周期短、成本低等特点,是国内外学者研究的重点和热点方向。本文针对DD3镍基高温合金的定向凝固进行数值模拟,研究不同工艺条件对定向凝固温度场和微观组织的影响,并揭示其作用机制,研究选晶器引晶段和选晶段晶粒形核/生长行为,确定选晶器设计规范。(1)将多组元的镍基高温合金拆分成多组二元系合金,阐述凝固过程数学模型和微观动力学模型并据此计算出模拟所需的各种参数,包括溶质分配系数、液相线斜率等。(2)对定向凝固两个重要工艺参数:抽拉速度和加热区温度进行研究,采用控制变量法研究这两个工艺参数对凝固过程和微观组织的影响和规律,模拟结果表明:提高抽拉速度,能够提高液相区温度梯度,细化枝晶组织,但抽拉速度提高,糊状区宽度增加、位置下移、界面下凹,杂晶倾向增加;提高加热区温度,可以提高固相区温度梯度从而提高液相区温度梯度,细化枝晶组织;分析并确定平台处糊状区杂晶产生的原因(3)对选晶器引晶段引晶行为进行研究,利用UG建模软件绘制直径为15mm、高度为100mm的圆棒,对圆棒进行凝固模拟以及CAFé模拟。棒状式样中晶粒密度随着距离水冷铜台距离的增加而不断下降:0~10mm为指数下降区、10~40mm为线性下降区、40mm以上为稳定区;晶粒取向与距离水冷铜台的距离的关系类似。在距离水冷铜台30~40mm的距离上,晶粒取向偏离应力主轴方向平均偏离角度在10°左右,晶粒密度基本不再变化,因此引晶段高度应设为30~40mm之间,本文设置为36mm。(4)对选晶器螺旋段选晶行为进行研究,利用UG绘制不同螺旋升角的选晶器,对不同装配有不同选晶器的模型进行铸造凝固模拟和CAFé模拟。根据研究结果分析,螺旋段实现选晶主要是通过螺旋段在纵向方向对晶粒一次晶的阻碍作用,在横向方向对晶粒二次晶的促进作用。晶粒的淘汰与进入选晶器的位置存在直接关系,靠近螺旋选晶器下沿晶粒将获得生长优势。螺距s~h和螺旋段直径w~d以及螺旋升角θ之间应当满足h_s>d_wtanθ。螺旋升角对晶粒取向偏离应力主轴(本文中为叶片纵向方向)平均偏差并没有明显作用。