VAR熔炼中搅拌磁场对元素宏观偏析的影响

在利用真空自耗电弧炉(VAR)熔炼钛及钛合金铸锭时,因VAR熔炼本身特点,铸锭规格大型化后会出现合金元素控制困难、宏观偏析等问题,对产品质量造成严重影响。通过对成品直径为1040 mm的TA2铸锭中Fe元素、TA10铸锭中Ni元素成分进行分析,设计实验探究搅拌磁场对元素宏观偏析的影响。实验通过改变熔炼时的电磁搅拌方式,探究搅拌磁场对Fe、Ni元素宏观偏析的影响。结果表明两次熔炼都使用交流搅拌磁场的铸锭其偏析程度远远小于一次直流搅拌、二次交流搅拌的铸锭,头底Fe元素偏析率降低到6.25%。头底Ni元素偏析率降低到6.41%。经过分析,主要原因是因为搅拌磁场会影响熔池深度及金属凝固时的结晶,减弱Fe、Ni元素在钛熔液里凝固时因溶质再分配造成的结晶浓度偏差。     

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。     

真空自耗电弧熔炼过程中搅拌线圈参数对TC17铸锭成分和组织影响的数值模拟与实验验证

采用MeltFlow VAR软件建立了真空自耗电弧熔炼（VAR）过程中温度、电磁、流动和溶质场的耦合模型,通过数值模拟与实验验证的方法研究了搅拌电流和周期对TC17钛合金铸锭成分和组织的影响规律。结果表明,铸锭中心的Cr元素浓度从底部逐渐升高,在铸锭头部100 mm范围内出现激增,与铸锭边缘和1/2半径处表现出不同的趋势。施加搅拌磁场,有利于铸锭心部Cr元素的降低和1/2直径处等轴晶区域宽度的减小。增加搅拌线圈电流或延长搅拌磁场的周期,可以降低铸锭心部Cr元素含量并减小1/2直径处等轴晶区域宽度。这主要是因为搅拌磁场引起的角速度,加剧了熔池内湍流的速度。采用工程化规格的TC17铸锭实物解剖可知,铸锭下部柱状晶生长方向发生扰动的位置与Cr含量上升的位置相对应,均与该位置搅拌磁场的作用相关。数值模拟结果与实验数据吻合较好。     

钛合金TC4真空自耗熔炼工艺参数对宏观偏析影响

采用Fluent软件模拟了钛合金TC4真空自耗熔炼过程中温度场、流场和溶质场相互作用,研究了与铸锭直接相关的3个工艺参数(熔速、铸锭上表面温度和冷却强度)对铸锭宏观偏析的影响规律。结果表明：不同熔炼条件下,在铸锭1000 mm高度处的铁元素径向偏析均呈钟形分布,即铸锭芯部为正偏析,表面区域为负偏析,且负偏析程度均大于正偏析。熔炼速度对铸锭温度场和宏观偏析的影响最为明显：当熔炼速度由0.15 mm/s增加到0.18 mm/s时,铸锭达到稳定熔炼阶段时的高度由1200 mm增加到1600 mm,熔池深度由494 mm增加到738 mm。当距铸锭中心距离小于130 mm时,偏析随熔炼速度增加而减小,在熔炼速度为0.15 mm/s时达到最大值,为3.36%;当距铸锭中心距离大于295 mm时,偏析随熔炼速度增大而增大,在熔炼速度为0.21 mm/s时达到最大值6.23%。铸锭上表面温度和冷却强度对宏观偏析和熔池深度的影响不明显。通过正交分析得到3个主要工艺参数对宏观偏析影响程度为：熔炼速度>冷却强度>铸锭上表面温度,并得到最优工艺参数为熔炼速度0.15 mm/s、铸锭上表面温度21...     

钛合金VAR过程中自然对流下的宏观偏析行为模拟

采用合金凝固的连续介质模型,模拟了钛合金熔炼过程中温度场、流场、溶质场的演化行为,模拟所得溶质元素分布规律与已有实验观测结果一致。通过对模拟结果中宏观偏析形成过程的详细分析以及不同流动情况下偏析程度的对比,揭示了热浮力和溶质浮力引起的自然对流在宏观偏析形成中的作用机制,发现抑制自然对流,可最大程度的减轻铸锭宏观偏析。此外模拟结果还表明,当熔池内流动情况一定时,合金元素在固/液两相中的平衡分配系数决定了该元素的宏观分布规律和偏析程度。     

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。     

电磁搅拌对镁合金铸锭宏观偏析的影响

研究了电磁搅拌对半连续铸造镁合金铸锭宏观偏析的影响。采用电磁铸造法制备了直径320 mm的AZ61镁合金铸锭,电磁搅拌施加电流为0~300 A,频率为15 Hz。利用化学分析法对比了不同电磁场强度下镁合金铸锭径向主要溶质元素的分布情况。结果表明,电磁搅拌可以有效改善镁合金铸锭主要溶质元素的分布,并且当施加电流强度为20~50 A时,铸锭径向元素偏析比明显减小,达到了改善镁合金铸锭宏观偏析的效果。电流强度超过100 A时,电磁场强度较大会引起熔体过搅现象,从而导致溶质元素偏析程度恶化。     

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.     

螺旋磁场对Pb-80Sn合金凝固组织的影响

对比分析了电磁搅拌磁场形式与强度对Pb-80Sn过共晶合金凝固组织及宏观成分偏析的影响。结果表明,螺旋磁场能够促进合金熔体在更大区域内流动,促使温度场、溶质场更均匀分布,从而改善合金凝固组织及成分偏析。搅拌频率一定时,旋转磁场和螺旋磁场在电流分别为125A和100A时对铸锭凝固组织的改善效果最好,晶粒尺寸由无磁场时的247.5μm分别减小为152.6μm和143.2μm;在电流为125A时两种形式磁场在改善成分偏析方面具有最佳效果,Sn含量差值分别由无磁场时的9.71%减小到1.37%和0.28%。     

Macrosegregation Behavior of Ti-10V-2Fe-3Al Alloy During Vacuum Consumable Arc Remelting Process

The effects of melting current and magnetic field in vacuum consumable arc remelting (VAR) process on the macrosegregation of Ti-10V-2Fe-3Al ingot are investigated in this paper. The results show that Fe content increases gradually from the bottom to the top of ingots along axial direction and the degree of macrosegregation is greater in the radial direction in the middle of the ingot versus the top and bottom. The macrosegregation rate of Fe element is higher with melting current of 2.6 kA than that of 1.7 kA in Ti-10V-2Al-3Fe ingot. There are two forces, buoyancy and Lorentz forces which arise from the flow of current through the pool of VAR when without magnetic stirring, but a new Lorentz force arising from the presence of external inductors occurs with adding magnetic stirring which decreases the macrosegregation rate of Fe element in Ti-10V-2Fe-3Al.     

GH4698合金真空电弧重熔过程中熔池流动形态

为了进一步了解真空电弧重熔(VAR)过程,本文利用开源CFD计算软件OpenFOAM,基于有限体积法(FVM)建立了包括电磁场、温度场和流场的二维多场耦合模型来研究宏观非稳态下的GH4698镍基合金铸锭的凝固过程。结果表明,从坩埚流向自耗电极的电流所引发的磁场主要集中在铸锭的上部,并沿铸锭轴线旋转。磁感应强度由铸锭中心向边缘呈现先增大后减小的趋势,并在电极边缘处达到最大值。热浮力和洛伦兹力是熔池内的主要驱动力,并且它们对熔池流动的影响正好相反。     

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。     

电磁搅拌对激光熔凝TA15钛合金熔池凝固研究

为了研究电磁搅拌作用对激光熔凝熔池凝固过程的影响,采用有限体积法对施加磁场前后激光单道动态熔凝TA15钛合金过程进行三维磁-热耦合数值模拟。研究了磁场对激光熔池流场、熔凝单道及其周边基材温度分布、固液界面处温度梯度和凝固速度的影响,并采用试验手段对模拟结果进行了验证。模拟结果表明:电磁搅拌作用使激光熔池最大流速增加了约20%,对流加剧促进了熔池热交换作用,使其最高温度下降,固液分界面处温度梯度大幅降低,凝固速度小幅增大,从而有利于熔池顶部组织发生柱状晶-等轴晶转变(CET)。试验结果显示施加磁场后熔凝层顶部有等轴晶组织生成,且随着远离磁场中心,电磁力增大,等轴晶区有扩大趋势。试验结果和模拟结果一致性较好。     

钛合金真空自耗熔炼过程中电流、磁场和电磁力数值模拟

采用有限元模拟软件Ansys Electromagnetics Suite中Maxwell 3D模块建立钛合金真空自耗熔炼过程电磁场数学物理模型,分析并掌握熔炼过程中电流、磁场和电磁力相互作用规律,并研究了熔炼电流和搅拌电流变化对磁场及电磁力的影响。结果表明：铸锭中电流均呈向心分布,且集中分布在铸锭上部350 mm范围内;熔炼电流产生切向磁场,搅拌电流产生轴向磁场,两者进行简单耦合;在熔炼电流及其自感磁场的作用下,产生径向和轴向电磁力;该电磁力又在搅拌磁场的作用下发生旋转,产生切向电磁力;随熔炼电流线性变化,磁场切向分量和电磁力的径向和轴向合力均呈线性变化;随搅拌电流线性变化,磁场轴向分量和电磁力径向分量均呈线性变化。     

磁场类型对金属凝固机理的影响研究综述*

利用磁场辅助制备的合金综合性能优异,广泛应用在工业生产、交通运输、航空航天等领域。不同磁场参数环境下合金硬度、耐磨性等服役性能有所差异,作用机理复杂多变。对新工艺驱动下不同磁场对金属凝固过程的作用规律进行总结, 弥补目前磁场辅助金属表面加工方法的研究短板,对金属表面工程发展有重大意义。归纳科研人员在不同磁场环境对金属表面加工的研究探索,分析对比金属材料在不同类型磁场环境下的晶核形核和生长过程差异,总结金属凝固过程在不同磁场下的变化规律,如晶界形貌改善、形核率提高、晶粒细化等。从晶粒微观形貌和合金宏观性能表现两方面出发,分析磁场作用下熔体内部传热传质变化,揭示稳恒磁场、脉冲磁场和交变磁场对金属凝固影响的作用机理,讨论不同参数的磁场对熔体作用效果差异,如磁场对熔池内部流动扰动、熔体内带电粒子受到的洛伦兹力等。综上,晶粒细化、合金性能提高是磁场作用下熔池传热传质变化和磁场作用力的综合体现。综合研究对比稳恒磁场、脉冲磁场和交变磁场对金属凝固的作用特点和作用机理,综述金属凝固领域当前热点问题,有助于统一磁场环境下金属凝固机理的争论,填补磁场环境下金属表面加工工艺的空白,对推进高性能金属表面制备研究有借鉴意义。     

12吨级Ti80合金铸锭的成分均匀性及其偏析规律研究

随着海洋装备的大型化发展及其各项性能的提升,对高均匀超大规格钛合金铸锭的研发有了更加迫切的需求。本文利用MeltFlow模拟获得优化的熔炼工艺,制备出国内第一个12吨级Ti80合金铸锭,并完成2炉稳定性验证。成分检测结果表明,铸锭头、中、尾3点成分极差小于1000ppm,冒口17点成分极差小于3000ppm,成分均匀性与现行5吨级铸锭基本相当。分析冒口径向成分分布规律发现,Al、Nb和Mo元素呈现边部高、心部低,从边部到心部逐渐降低的趋势,而Zr元素的分布规律则与之相反。利用EDS对不同部位晶内和晶界的微区成分分析发现,Nb、Mo元素呈现晶内高、晶界低,而Al、Zr元素呈现晶内低、晶界高的分布规律。其中,Nb、Mo、Zr元素的宏、微观偏析规律基本一致,即随着凝固的进行,固相中Mo、Nb含量逐渐降低,Zr含量逐渐升高。然而,Al元素的宏、微观偏析规律正好相反,分析认为主要是由于Al元素的饱和蒸气压较高,与其他合金元素相比更容易挥发,在长时间、高真空熔炼和溶质再分配的共同作用下,铸锭中的宏、微观偏析规律出现不一致的现象。     

NUMERICAL SIMULATION OF INDUCTION SKULL MELTING PROCESS FOR TITANIUM-ALUMINIUM BASE ALLOY

The mathematics model for temperature field of water-cooling copper crucible induction skull melting process was established. The program for simulating temperature field of melting process was developed with finite element method. The temperature field of the melting process for Ti-47Al-2Cr-2Nb aUoy was calculated. During melting period, the temperature is raised gradually along radius augmentation direction. The elements of the charge near the crucible wall are molten first. The center elements of the charge are molten last. The melting time of the center element is just that of all the charge melting. The melting time of Ti-47Al-2Cr-2Nb alloy is 15min. In which, the charge was heated by low power 80kW for 9min and by high power 300kW for 6min. When melting Ti-47AI-2Cr-2Nb aUoy,the loading power is nearly direct proportion to melt temperature. Increasing loading power may raise melt temperature. The best melting power of Ti-47Al-2Cr-2Nb alloy is 305-310kW. This is identical with the melting test and has guidance sense to the melting process of actual titanium aUoy.