镍基高温合金是目前高温合金中应用最广和高温强度最高的一类,主要用于制造航空发动机和大型燃气轮机的关键热端部件。由于实际凝固过程所固有的偏析缺陷,在铸件产品内部通常会形成若干条溶质的富集通道,这种通道型偏析缺陷的存在会严重影响铸件的综合性能甚至导致其直接报废。然而利用实验方法研究凝固过程中通道偏析的形成仍存在较多问题,因此本课题采用数值模拟技术分析该过程中传输现象,探讨通道偏析缺陷形成机理,掌握其发展趋势与主要工艺参数之间的基本关系,这对于改进生产工艺和提高铸件产品质量具有极其重要的理论与工程实际意义。首先,本文基于连续介质模型建立了自然对流作用下多元合金凝固过程通道偏析预测的三维数学模型。为了验证数学模型的可靠性,将其分别应用于普通二元与镍基高温合金的铸件实例,完整地模拟了自然对流作用下其内部通道偏析的形成过程,并探讨了冷却速率变化对通道偏析造成的影响。结果表明造成通道偏析的流动起源于液相区而非糊状区内,富含溶质的流体不断向糊状区通道处流动聚集,并通过糊状区从液相区持续补充通道内的流动。凝固过程中通道始终在发展变化,多个不稳定的通道合并或直接消失,最终形成稳定的偏析通道。冷却速率越小,通道偏析越严重,这一结果由实际生产铸锭的偏析情况得以验证。其次,虽然真空电弧重熔技术作为目前提高重熔金属纯洁度的有效手段已经广泛应用于高温合金铸件的实际生产,但产品铸件内部的通道偏析缺陷仍然无法避免。因此本课题在研究自然对流作用下通道偏析形成的基础上,利用磁矢势法对偏析缺陷预测模型加以完善,建立了描述真空电弧重熔过程中流动、传热和传质耦合的数学模型,并利用该模型模拟了利用真空电弧重熔技术实际生产镍基高温合金铸件时的通道偏析缺陷情况。最后,系统地讨论了不同电流强度对真空电弧重熔过程中通道偏析缺陷形成的影响。结果表明,随着电流强度逐渐增大,镍基高温合金铸件中通道偏析将愈发严重。在实际生产过程中既要考虑减轻偏析缺陷,又要顾及生产成本,本课题数值模拟结果能为实际生产工艺中选取合适的冷却速率和电流提供科学的参考。