摘要：采用ProCAST和CAFE模型模拟了镍基单晶高温合金DD403定向凝固过程中的温度场及晶粒组织。研究了抽拉速率对变截面单晶铸件杂晶形成和铸件板身固液界面形状和位置的影响规律，得到了单晶铸件不出现杂晶的最大抽拉速率—— —临界抽拉速率（Vc ）。结果表明，当采用150 μm/s的抽拉速率时，对于液态金属冷却（LMC） 技术，铸件平台的凝固顺序是从中心到两边，杂晶形成倾向较小；而在高速凝固（HRS） 条件下，铸件平台的边缘首先冷却，平台边缘容易出现大的过冷而产生杂晶。在本实验条件下，采用HRS技术，临界抽拉速率不得高于125 μm/s；采用LMC技术，最大抽拉速率不宜超过150 μm/s，否则可能会在螺旋段或平台处形成杂晶。当抽拉速率为150 μm/s时，采用LMC法获得的板身部位的轴向温度梯度（Ga ） 是HRS法的2倍多；一次枝晶臂间距（PDAS） 减小了1/3～1/2，且沿铸件轴向的轴向温度梯度和一次枝晶臂间距均较HRS均匀。当抽拉速率在50～200 μm/s范围内增大时，采用LMC技术，铸件板身的固液界面始终保持平直且逐渐下移至隔热挡板中部；而HRS条件下，固液界面逐渐下凹并下移至挡板下方。
镍基单晶高温合金由于消除了晶界，因而具有良好的热疲劳性能、抗热腐蚀性能和蠕变性能，成为航空发动机叶片制备的关键材料[1-4]。目前工业上主要采用高速凝固（HRS） 法来生产单晶叶片。凝固初期，热量能够通过水冷铜板而迅速散失，温度梯度较高。但随着抽拉过程的继续，凝固段和水冷铜板距离逐渐增加，温度梯度逐渐下降，容易出现杂晶、晶粒取向偏离等铸造缺陷[5]。对于大型铸件，如地面燃气轮机叶片，HRS定向凝固的弊端更加凸显[6]。近些年来，一些研究者[6-9]开始采用液态金属冷却（LMC） 法来提高并获得稳定的温度梯度。Elliott等人[6-7]的研究表明，采用锡液冷却技术获得的温度梯度是传统HRS方法的2倍多，所允许采用的抽拉速率也至少是HRS法的2～3倍，从而冷却速度可以提高约6.5倍，一次枝晶臂间距减小为HRS的1/3。Brundidge等人[9]采用锡冷和浮动陶瓷挡板的LMC技术，研究了抽拉速率对铸件组织细化的影响。他们发现当抽拉速率在8.5～21.2 mm/min范围内时，组织在12.7 mm/min处得到最大细化，此时固液界面位于挡板附近且近于平直，进一步增大抽拉速率则会产生杂晶。铸件中的温度场对凝固组织和缺陷的产生有决定性的影响，而尽管LMC技术有较长的实验历史，但目前对其生产过程中温度场的分析研究还很少，温度场对单晶铸件晶粒组织的影响规律也少见报道。
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