采用数值模拟方法分析影响VAR熔炼钛合金铸锭表面质量的因素

采用数值模拟方法分析影响铸锭表面质量的因素,借此达到提高铸锭成品率的目的。通过Melt Flow软件对VAR熔炼过程的温度场进行分析,将高温液相与坩埚接触长度与表面质量建立联系。分析得出,从工艺角度考虑,熔炼电流、稳弧电流以及稳弧周期这3个因素对铸锭表面质量有影响,结合实验验证表明,采用较大的熔炼电流、大稳弧电流以及短稳弧周期有利于铸锭表面质量提高,提高成品率。     

VAR熔炼制备超大规格TC4 ELI钛合金铸锭研究

舰船和海洋领域对钛合金材料的需求呈大型化发展趋势,铸锭作为锻件和板材的母材,其大型化也势在必行。为满足大型铸锭的工业化生产,采用有限元分析法对真空自耗电弧熔炼（VAR）超大规格TC4ELI钛合金一次锭和成品锭的熔炼过程进行了数值模拟研究。结果表明,一次锭熔炼过程中稳弧电流和稳弧周期直接影响熔池中夹杂物的运动轨迹;对于TC4 ELI钛合金一次锭熔炼,较为合适的稳弧参数为稳弧电流30 A,稳弧周期40 s;成品锭熔炼时,降低熔炼电流,增大稳弧电流和稳弧周期,即加强VAR熔炼过程中的搅拌有助于提高铸锭成分均匀性和表面质量。根据数值模拟结果进行了12.8 t级超大规格TC4 ELI钛合金铸锭的工业化生产,所得铸锭表面质量良好,成分均匀。     

VAR工艺参数对Ti-10V-2Fe-3Al铸锭凝固行为的影响

采用真空自耗电弧熔炼(VAR)工艺制备Ti-10V-2Fe-3Al铸锭,研究了熔炼电流和搅拌磁场等工艺参数对铸锭凝固行为的影响,并对真空自耗电弧熔炼过程中起弧、熔炼、补缩等阶段的凝固组织及熔池形貌进行了分析。结果表明,在未加搅拌磁场时,熔池较窄,铸锭组织粗大,而施加搅拌磁场后,熔池变宽且旋转明显,铸锭宏观组织中的晶粒变小;随熔炼电流增大,熔池加深,凝固组织中的晶粒变得粗大。     

Ti60合金VAR熔炼过程熔体流动与宏观偏析的数值模拟研究

真空自耗电弧熔炼 (Vacuum arc Remelting,VAR) 是生产钛合金铸锭最常用的方式之一,但由于其熔炼过程温度高且不透明,通过实验研究其熔炼过程中流体流动行为和宏观偏析存在困难。基于此,本工作以Ti60高温钛合金为例,通过数值模拟方法对VAR熔炼过程展开研究,同时探讨了熔炼电流和磁场搅拌强度对流体流动行为和宏观偏析的影响。结果表明,VAR熔炼钛合金时,熔池形状由“扁平状”逐渐向“V形”转变;凝固结束后铸锭锭底和边部Zr元素含量低,中心和冒口含量高。熔炼电流产生的洛伦兹力使熔体沿逆时针流动,且熔炼电流越大,熔体流动更剧烈;同时也导致铸锭中心和冒口处出现更为严重的宏观偏析。搅拌磁场产生的洛伦兹力作用于整个熔池,不仅促进了熔池上部熔体的流动,也有利于熔池下部熔体的流动;当无搅拌磁场和搅拌磁场较大时,都会导致Zr元素在铸锭中产生较为严重的宏观偏析。为有效控制VAR熔炼钛合金时宏观偏析缺陷的产生,应采取小熔炼电流和合适的搅拌强度。     

真空自耗电弧熔炼中电磁搅拌的数值模拟

利用ANSYS软件对真空白耗电弧熔炼的电磁搅拌过程进行三维模拟计算,分析重熔电流、磁场和洛伦兹力的分布情况,讨论了搅拌线圈对磁场和搅拌力的影响.结果表明:重熔电流从坩埚擘经熔池表面流回电极,铸锭和坩埚底部几乎没有电流;重熔电流产生环绕对称轴的磁场,磁场强度从电极中心到坩埚外壁呈先增大后减小的趋势;搅拌线圈产生平行于对称轴的磁场,其磁感应强度在铸锭部分呈均匀分布;施加搅拌线圈产生了使熔池发生旋转的洛伦兹力.     

真空自耗电弧熔炼过程中电磁场的数值模拟

采用ANSYS10.0软件建立电磁搅拌条件下真空自耗电弧熔炼过程三维电磁场数学模型,计算电流密度和磁场强度,并对比分析搅拌磁场对电磁力的影响.结果表明:电流沿坩埚壁向下流动,并在铸锭与坩埚的接触部位转为横向流动,在铸锭表面横向电流最大;随着熔炼的进行,铸锭上部自感磁场基本不变,下部的自感磁场强度减小;搅拌磁场的添加使得铸锭表面产生水平旋转洛伦兹力,且磁感应强度和功率损失随电流频率的增大而增大.     

基于FEM法的锆合金VAR法的模型研究

文章利用有限元法(FEM)研究了锆合金真空自耗电弧熔炼(VAR)过程中熔炼时间对熔池温度变化、熔池流速和电极表面的影响规律。熔池内的温度相对较高,靠近坩埚区域处的温度相对较低,随着熔炼时间的延长,熔池温度高的合金液通过辐射方式向外界不断传热,熔池区域慢慢缩小,而铸锭从下至上逐渐冷却,熔池流速分布呈现对称分布的趋势,熔池中心流速大而靠近坩埚的流速相对小,且随着时间的增加,在外加磁场对熔化电弧进行稳定及对熔池流体进行搅拌的作用下,流速有逐渐增大的趋势。在熔炼开始时,在电极表面存在棱角的区域首先熔化。     

纯Ti与Y2O3坩埚相互作用机制研究

使用Y2O3坩埚进行纯Ti的真空感应熔炼试验,分析了所得纯Ti铸锭的成分、显微组织、力学性能以及坩埚与熔体的接触面.研究发现铸锭中存在一些Y2O3颗粒,Y2O3与纯Ti没有发生化学反应,坩埚与熔体的主要作用机制是熔体对坩埚的机械侵蚀和Y2O3在金属液中的溶解.     

真空自耗电弧熔炼电流对Ti-10V-2Fe-3Al铸锭凝固组织的影响

研究真宅自耗电弧熔炼(VAR)条件下熔炼电流对Ti-10V-2Fe-3Al合金凝固组织的影响,分析VAR熔炼中熔池内部的对流类型,基于安培定理,建立VAR熔炼条件下熔池中的洛仑兹力与电流、磁场及铸锭半径的关系.结果表明:熔炼电流较低时,浮力的影响占据主要地位,加速热量的散失,铸锭中组织细小;随着熔炼电流变大,熔池中电磁力(洛伦兹力)的影响逐渐占据主要地位,将表面的热量带入熔池内部,增大了温度梯度,使铸锭组织变得粗大.     

钛合金VAR过程电弧等离子体流场的数值模拟

依据磁流体动力学理论,运用ANSYS有限元分析软件对真空自耗电弧熔炼过程电弧区流场进行数值模拟.结果表明:在阳极熔池表面熔炼电弧的温度最高,且其附近电弧区压力随着径向距离的增大而增大,而在熔炼电极表面附近,电弧区压力随着径向距离的增加而减小;弧间距的减小不仅使电弧区的流体流动速度减小,而且还导致环路流动范围减小且向坩埚壁靠近.当电极直径为280 mm,熔炼电压为30 V时,理想熔炼弧长可控制在25～40 mm.     

大规格核级锆合金铸锭冒口氧元素分布研究

氧元素在锆基体中呈正偏析,且偏析现象明显,尤其在熔炼末期受挥发动力条件影响,氧元素的偏析现象加剧,铸锭整体均匀性的控制难度增大。本试验对采用小电流多级补缩制度的大规格锆合金铸锭冒口区域解剖后分析氧含量,研究熔炼末期铸锭冒口中氧元素的分布规律。经分析认为,选用多级降电流、短时间保持的补缩工艺以及补缩末期充氩熔炼的方式可改善铸锭头部中心氧元素的偏析程度。     

基于田口方法的钛合金熔炼稳弧磁场工艺参数优化研究

针对TC4合金铸锭中Fe元素头、底差异性较大的问题，采用田口试验方法，对钛合金熔炼稳弧磁场工艺参数进行优化设计，研究稳弧磁场的电流大小和交变时间对TC4合金中杂质元素Fe成分均匀性的影响。根据试验结果，通过信噪比和方差分析，发现稳弧交变时间对TC4铸锭单锭Fe含量极差值的影响程度较为显著。选用试验设计确定的最优工艺参数组合进行试验验证，所生产的TC4铸锭单锭中，Fe含量极差值由原来平均0.04%降至0.01%。通过对钛合金熔炼稳弧磁场工艺参数进行优化，提高了TC4铸锭的成分均匀性。     

钛合金熔炼用AZrO3（A=Ba,Sr,Ca）坩埚的制备及其使用性能研究

综述了3种新型复合氧化物（CaZrO3、SrZrO3和BaZrO3）坩埚的制备工艺,分析了3种坩埚熔炼TiNi合金后的效果和界面反应情况。合金熔体与耐火材料间无元素扩散,3种耐火材料均对合金熔体具有良好的反应惰性。此外,通过对比3种耐火材料坩埚与熔体间的界面反应层厚度,发现BaZrO3对TiNi合金熔体具有最高的化学稳定性。进一步使用BaZrO3制备成工业用25kg级坩埚并熔炼TiNi、TiFe、TiAl铸锭,发现铸锭杂质含量较低,说明BaZrO3是一种极具潜力的钛合金熔炼用新型耐火材料。     

VAR过程电弧等离子体的电磁特性研究

依据磁流体动力学及等离子体物理学理论,建立三维有限元模型对VAR过程电弧区电磁场进行数值模拟,并以此分析其对铸锭质量的影响.结果表明,熔炼电极底部的电流密度和电磁力均最大;随着径向距离的增加,熔池表面的电流密度逐渐减小,焦耳热逐渐降低;弧长较大时,熔池表面的电磁力几乎不变;弧长较小时,随着径向距离的增大,电磁力先增大后减小.熔池表面的焦耳热随着弧长的增加而降低,但当弧长由45 mm增至50 mm时,焦耳热降低并不明显.弧压的增加会使得熔池表面的焦耳热增大.     

冷坩埚感应熔炼对NiTiNb合金成分和组织的影响

采用冷坩埚真空感应熔炼方法进行NiTiNb形状记忆合金的制备,研究了冷坩埚熔炼过程中合金成分与微观组织的主要影响因素,分析了熔炼过程元素损耗的特征及主要原因,并提出了提高合金成分控制精度的方法。研究表明：较高的加热功率和多次熔炼有利于各组元的充分合金化;合金中C、O等杂质的含量随熔炼时间的延长而增加,随真空度的提高而降低,且真空度的影响大于熔炼时间;较慢的熔体冷却速度会导致铸锭中出现柱状晶区,且冷速越慢柱状晶区与凝壳区尺寸均会相应增大;熔炼前期Ni和Ti剧烈反应所引发的飞溅将会加剧合金元素的损耗,通过对合金原料进行补偿修正可大幅提高成分的控制精度。     

电子束冷床炉熔炼Ti-6Al-4V合金过程中流动、传热和挥发计算（英文）

研究了Ti-6Al-4V合金在电子束冷床炉熔炼(EBCHM)过程中冷床部分熔体的传热、流动和凝固过程。结果表明,冷床部分的熔体被限制在一个非常浅的深度,实验测量约为15 mm,熔体速度大约是每秒几厘米。熔体温度随着熔炼功率增加而升高,随着熔炼速率增加而降低。熔池深度随着熔炼功率升高而增加,而熔炼速率对熔池形貌的影响不明显。模拟了不同密度、不同尺寸夹杂物的运动轨迹。结果表明,夹杂密度对轨迹影响较大。同时建立了元素挥发的数学模型,并研究了熔炼工艺参数对铸锭成分的影响。结果表明,熔炼温度、熔炼速率和原料配比对铸锭成分均有较大影响。采用工业用电子束冷床炉生产了圆锭,测量了冷床凝壳的形貌并检测了铸锭成分。计算结果与实验结果吻合较好。     

BaZrO3耐火材料与TiM(M=Fe,Ni)熔体的界面反应

以TiO2作为助熔剂,采用等静压成型技术配合固相烧结技术制备了BaZrO3坩埚,并用制备的BaZrO3坩埚采用真空感应熔炼技术进行了TiM(M=Fe,Ni)熔炼试验.通过对熔炼后的合金铸锭与坩埚的界面区域进行的宏观分析、SEM微观形貌观察、EDS分析,发现熔体对坩埚不造成侵蚀,坩埚材料也不污染熔体,熔体与坩埚内壁之间无明显反应层存在.这将给BaZrO3耐火材料用作坩埚材料的TiFe和TiNi合金的真空感应熔炼工艺提供理论支持.     

电子束冷床炉熔炼Ti-6Al-4V合金过程中流动、传热和挥发计算

电子束冷床炉熔炼技术是生产航空发动机关键旋转部件用钛合金及钛屑回收利用的一项很有前景的技术。本文研究了Ti-6Al-4V合金在电子束冷床炉熔炼过程中冷床部分熔体的传热、流动和凝固过程。结果表明,冷床部分的熔体被限制在一个非常浅的深度,实验测量约为15mm,熔体速度大约是几厘米每秒。熔体温度随着熔炼功率增加而升高,随着熔炼速率增加而降低。熔池深度随着熔炼功率升高而增加,而熔炼速率对熔池形貌的影响不明显。模拟了不同密度、不同尺寸夹杂物的运动轨迹。结果表明夹杂密度对轨迹影响较大。建立了元素挥发的数学模型,并研究了熔炼工艺参数对铸锭成分的影响。结果表明熔炼温度、熔炼速率和原料配比对铸锭成分均有较大影响。采用工业用电子束冷床炉生产了圆锭,测量了冷床凝壳的形貌并检测了铸锭成分。计算结果与实验结果吻合较好。     

基于有限元法的钒合金电子束熔炼过程数值模拟研究

基于ANSYS有限元软件建立了钒合金电子束熔炼过程的数理模型,对V-4Cr-4Ti合金电子束熔炼过程进行了数值模拟,研究了不同熔炼工艺参数下的熔炼过程温度场分布规律以及熔池形状。结果表明:熔炼过程温度场分布及熔池形状受到熔炼功率及扫描半径的影响。随着熔炼功率的增大,熔池最高温度将会线性增大,熔池宽度和深度将会逐渐增大。随着扫描半径的增大,熔池最高温度将会先增大后减小,通过分析获得了V-4Cr-4Ti合金电子束熔炼的最佳工艺参数。实验结果表明,在优化后的工艺条件下,钒合金电子束熔炼铸锭质量得到一定提升。     

Cu-Cr-Zr-Mg合金真空熔铸工艺研究

研究了Cu-Cr-Zr-Mg合金的真空熔铸工艺对合金成分、铸锭的组织和性能的影响，并优化了Cu-Cr-Zr-Mg合金的真空熔炼工艺（如熔铸工艺参数和铸模预处理工艺等）。试验证明：熔炼温度不能超过1480℃，否则熔体可能与坩埚材料发生反应，从而将坩埚中的元素带人合金中，真空熔炼可以大大降低合金元素的烧损，合金成分能够得到精确的控制，浇注温度不高于1400℃，否则容易导致铸锭致密度下降、气孔增多、晶粒粗大、枝晶偏析、冒口缩孔过深等缺陷。