钛铝基合金扁形冷坩埚定向凝固数值计算与组织研究

论文摘要

本文运用有限元数值计算与实验相结合的方法,研究了钛铝合金在宽厚比2.5:1电磁冷坩埚条件下的定向凝固。首先建立了空载坩埚三维简化与局部逼真模型,进行电磁特性分析。在此基础上,建立坩埚内钛铝熔体模型,对熔池内电磁场和流动场做了细致的研究。进而,在不同工艺条件下成功制备了钛铝合金扁锭试样,成分为Ti46Al0.5W0.5Si。结合有限元计算结果,借助高清数码相机、金相显微镜和扫描电镜等分析工具,对定向凝固组织进行了宏观和微观的分析研究。数值计算结果表明:空载坩埚内BBz从底至上变化规律为先增大再减小,并在线圈中部靠上位置出现峰值,靠近开缝处的磁场明显较高且径向磁场很大。电流频率从100kHz变化到10kHz时,坩埚内磁场增加至原来2~3倍,但开缝处变化不明显。钛铝合金熔池内的流动呈交错式的回漩循环状,处于拐角附近的熔体向前上方流动,经过复杂的循环路径后又集中回流,凝固界面存在水平局部强流区,电流140A、50kHz时达到0.15mm/s以上。驼峰顶端出现向上高速流动,这可能会使驼峰失稳。随着电流增大,熔池流动形态基本不变但其流速增大。随着频率的降低,熔池内回漩强流区向熔池内部扩展且范围不断变大。实验结果显示,试样凝固界面多呈“W”形,两侧的柱状晶组织较为平直,而中部组织呈“V”字形生长。综合计算结果分析表明:熔池内部热场分布不均匀,两边过热度较高而中部不足;凝固界面存在局部热流冲刷,大大降低了柱状晶生长前沿的形核率,使试样两边柱状晶可以持续生长;游离晶随热流漂移,集中分布在熔池中部,成为试样中部组织“V”字生长的原因之一。此外,试样侧面的表面质量明显优于正宽面,这也会对内部组织造成影响。对柱状晶的析出物分析发现,其富钨相和富硅相分别在晶内和晶界以不同的形式析出,富钨相沿晶界网状析出,而富硅相呈团簇状析出。通过本课题的研究可知,在此坩埚结构确定的情况下,结合数值计算获得的电磁场与流场分布规律,通过实验分析钛铝合金定向凝固过程中的各种因素影响规律,揭示影响机理,合理调整相关工艺参数,可以获得电磁冷坩埚条件下优异的钛铝合金定向凝固组织。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 电磁冷坩埚技术及发展
• 1.2.1 电磁冷坩埚工作原理
• 1.2.2 电磁冷坩埚优化设计
• 1.2.3 电磁冷坩埚（技术）研究进展
• 1.3 有限元数值计算方法
• 1.3.1 电磁场有限元计算发展
• 1.3.2 流动场有限元计算概论
• 1.3.3 有限元计算在电磁冷坩埚方面的应用
• 1.4 定向凝固原理与钛铝合金定向凝固研究进展
• 1.4.1 定向凝固原理与发展现状
• 1.4.2 钛铝合金定向凝固组织特点
• 1.4.3 定向凝固钛铝合金应用及展望
• 1.5 课题主要研究内容
• 第2章 研究路线及实验方法
• 2.1 研究路线
• 2.1.1 数值计算方案的确定
• 2.1.2 电磁冷坩埚连续熔铸TiAl合金实验研究方案的确定
• 2.1.3 总体研究框架与步骤
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 电磁冷坩埚连续熔铸实验设备
• 2.2.2 钛铝合金实验材料制备
• 2.3 实验分析手段
• 第3章 冷坩埚电磁场与流动场的数值计算与分析
• 3.1 前言
• 3.1.1 ANSYS有限元软件概述
• 3.1.2 ANSYS电磁场与流动场计算特点
• 3.1.3 磁-流耦合场分析
• 3.2 宽厚比2.5: 1 冷坩埚模型的建立
• 3.2.1 三维坩埚造型尺寸与模型简化
• 3.2.2 模型材料属性与有限元网格剖分
• 3.3 钛铝合金连续熔铸定向凝固电磁场计算及变化规律
• 3.3.1 相同电流载荷下坩埚内不同位置电磁场分析比较
• 3.3.2 不同激励电流值对冷坩埚内空载磁场的影响规律
• 3.3.3 不同电流频率下冷坩埚内电磁场分布特点
• 3.3.4 坩埚开缝位置的径向电磁场特性
• 3.3.5 钛铝合金定向凝固稳态期驼峰内电磁场规律与分析
• 3.4 钛铝合金电磁冷坩埚定向凝固流场计算与特性分析
• 3.4.1 熔池的洛伦兹力约束与电磁搅拌
• 3.4.2 不同激励电流值下驼峰内流场规律与特征
• 3.4.3 不同电流频率值的驼峰内流动场特性
• 3.5 本章小结
• 第4章 钛铝合金连续熔铸与定向凝固组织分析
• 4.1 前言
• 4.2 钛铝合金定向凝固组织宏观特征与分析
• 4.2.1 宏观组织生长形态演变规律
• 4.2.2 冷坩埚定向凝固稳态生长分析
• 4.2.3 试样表面质量对内部组织的影响
• 4.3 柱状晶形貌分析和生长机制
• 4.3.1 柱状晶稳定生长区
• 4.3.2 柱状晶的断续状生长现象
• 4.3.3 柱状晶定向生长停止分析
• 4.3.4 断电状态时凝固界面处柱状晶形貌转变
• 4.3.5 柱状晶组织析出相形态与分布
• 4.3.6 柱状晶稳定生长条件
• 4.4 凝固界面形貌及其影响因素和机理
• 4.4.1 冷坩埚连续熔铸条件下凝固界面形状与结构
• 4.4.2 功率和抽拉速度对凝固界面形态的影响规律
• 4.4.3 电磁搅拌对凝固界面形态的影响规律和分析
• 4.4.4 坩埚结构对凝固界面形态的影响机理
• 4.4.5 送料熔滴对凝固界面形态的影响特征
• 4.4.6 影响凝固界面形态的其它因素
• 4.4.7 凝固界面均匀平直化条件
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢