EB炉熔炼大规格钛扁锭凝固过程的数值模拟

基于MiLE算法对大规格钛扁锭凝固过程进行非稳态模拟,研究了大规格钛锭的横截面尺寸、浇注温度和拉锭速度对其固、液界面形貌、液相区深度以及过渡区长度变化旳影响。结果表明,当钛锭宽度为200mm时,钛锭长度从200mm增加到1 200mm时,熔池深度先增大而后维持在77mm,同时固相率随着钛锭长度的增大而逐渐降低;当钛锭的横断面面积不变时,固液界面深度随着钛锭宽度的增加而减小,固相率随着钛锭宽度的增大而逐渐增大。结晶器散热的有效距离是区分钛锭长度影响其固液界面形貌的临界值。此外,随着浇注温度和拉锭速度的提高,钛扁锭非稳态过渡区长度呈线性增加,并且相对于浇注温度,拉锭速度对非稳态过渡区长度的影响更为显著。     

电子束冷床炉熔炼超长超薄TC4铸锭过程中坩埚的尺寸设计

钛锭固液界面形貌对其凝固组织有着很大的影响。本文研究了超长超薄TC4扁锭EB炉熔炼中结晶器三维尺寸对固液界面形貌的影响。结果表明:当TC4扁锭截面长度超过450mm时,结晶器的冷却能力不再增加。当长度超过有效距离时,随着结晶器长度的增加,熔池深度和糊状区宽度不再发生改变。此外,提高结晶器的长宽比有利于提高TC4扁锭的表面质量。计算结果表明,结晶器内长和内宽比应在4:1和6:1之间。当结晶器高度大于300mm时,熔池深度和糊状区宽度不变。因此,通过本文研究可以为EBCHM熔炼超长超薄TC4扁锭的结晶器三维设计提供一定的设计依据。     

电子束冷床炉熔炼超长超薄TC4铸锭过程中坩埚的尺寸设计（英文）

钛锭固液界面形貌对其凝固组织有着很大的影响。研究了超长超薄TC4扁锭EB炉熔炼中结晶器三维尺寸对固液界面形貌的影响。结果表明:当TC4扁锭截面长度超过450mm时,结晶器的冷却能力不再增加。当长度超过有效距离时,随着结晶器长度的增加,熔池深度和糊状区宽度不再发生改变。此外,提高结晶器的长宽比有利于提高TC4扁锭的表面质量。计算结果表明,结晶器内长和内宽比应在4:1和6:1之间。当结晶器高度大于300 mm时,熔池深度和糊状区宽度不变。本研究可以为电子束冷床炉(EBCHM)熔炼超长超薄TC4扁锭的结晶器三维设计提供一定的设计依据。     

结晶器溢流口位置对电子束熔炼钛锭凝固过程的影响

使用有限元方法模拟计算电子束冷床熔炼大规格钛锭稳态连铸凝固过程中温度场流场耦合行为,分析结晶器溢流口位置对大规格钛锭凝固过程的影响。结果表明:当工艺条件相同时,流场耦合温度场后会导致凝固界面形貌不规则,糊状区体积增加;当溢流口的位置不在结晶器内宽面正中间时,相对于溢流口另一边的熔池深度会降低;溢流口位置的变化对固相率的影响不大,但是对凝固界面的影响较大,当溢流口位置位于钛锭熔池表面中心时熔池和凝固界面更加均匀和平稳。     

大规格钛扁锭凝固过程的非稳态数值计算研究

在大规格钛扁锭半连铸过程中,固相分数和熔池形貌对得到优质钛锭有着重要影响。本文以有限元为基础,采用数值模拟计算方法对大规格钛扁锭半连铸过程进行非稳态计算,重点研究了不同生产工艺条件对固相分数和熔池形貌的影响。研究表明,随着浇注温度和拉锭速度的增加,固相分数和熔池形貌变化区域的长度呈线性减小,钛锭熔池深度和钛锭1/4处熔池的深度呈线性增加。相对于浇注温度,拉锭速度对固相分数的影响更为显著。     

工艺条件对大规格TC4扁锭连铸过程固液界面的影响

利用有限元方法对电子束冷床熔炼大规格TC4扁锭连续凝固过程温度场进行计算分析,研究不同铸造工艺条件下熔池形貌特征以及固液界面曲率的变化,并且定量地给出固相线和液相线位置以及糊状区深度的变化规律。结果表明:随着浇注温度的升高,TC4扁锭的液相线和固相线深度加深、宽度变宽,而固相线与液相线之间的糊状区变窄;随着拉锭速度的加快,熔池加深变宽,糊状区逐渐变宽,温度梯度变小,固相率逐渐减少;但拉锭速度对固液界面形貌的影响相对于浇注温度的影响更为显著,在本计算模拟条件下,拉锭速度应控制在3.5×10~(-4)m/s以下。     

大规格钛锭连铸过程中熔炼速度对凝固界面的影响

通过建立电子束冷床熔炼大规格钛锭稳态连铸模型,考虑了温度场和流场的耦合行为,使用有限元方法定量地获得熔炼速度对大规格钛锭凝固过程中的熔池深度和固相率的影响规律。结果表明:在一定工艺条件下,流场耦合温度场后固相率将增加,熔池深度将降低;当熔炼速度降低时,固相率增加,熔池深度降低,同时钛锭液相区流速降低。     

牵拉速度和浇注温度对钛扁锭凝固界面的影响

通过对连铸过程中钛扁锭的固-液界面形貌分析,研究了拉锭速度和浇注温度对钛锭固-液界面的影响规律。利用有限元法对电子束冷床炉熔炼大规格钛扁锭连铸凝固过程进行模拟研究,通过对钛扁锭进行温度场稳态模拟计算后,获得了浇注温度和拉锭速度对钛扁锭凝固达到稳态时凝固界面形貌和固相分数的影响机制。     

工艺参数对钛合金激光熔覆 CBN 涂层几何形貌的影响

目的获得制备形貌较佳的CBN激光熔覆层的工艺参数。方法以CBN粉末为熔覆材料,在TC11钛合金表面制备CBN熔覆层。设计正交试验,利用金相法检测熔覆层的几何形貌参数,研究工艺参数(激光功率、扫描速度、离焦量、预置层厚度)对涂层几何形貌的影响规律。结果随着激光功率、扫描速度、离焦量和预置层厚度的增大,熔覆层宽度、高度以及熔池深度都发生相应的改变。其中扫描速度对熔覆层形貌的影响最大,其次为激光功率和预置层厚度,离焦量的影响最小。随着激光功率增大,熔覆层宽度先增大后减小,熔覆层高度逐渐降低,熔池深度逐渐增大。扫描速度、离焦量和预置层厚度的增加都导致熔覆层宽高和熔池深度的减小。结论最优的工艺参数为:激光功率1400W,扫描速度4mm/s,离焦量35mm,预置层厚度0.4mm。     

矩形冷坩埚定向凝固过程中钛铝熔体的流场数值计算(英文)

对矩形冷坩埚定向凝固钛铝合金熔体流场开展数值模拟研究。结合实验结果,建立熔体流场的3-D有限元模型,研究不同电源参数下熔池内流动特性。计算结果表明:熔池内存在着复杂的循环流动,在固液界面前端存在着较为强烈的径向对流,并在中部合流。熔体流动随着电流强度的增强而增强,但是宏观流动形貌并没有改变。当电流为1000A时,熔池内最大流速为4mm/s,固—液界面前端达到3mm/s。当频率从10kHz变化到100kHz时,熔池流动形貌发生明显改变,分析其影响机制。对于冷坩埚定向凝固,存在着一个最佳频率。     

定向凝固DZ4125柱晶高温合金晶粒生长过程组织演化及其竞争生长研究

采用Bridgman定向凝固方法制备DZ4125柱晶高温合金定向试棒,研究在恒定抽拉速率下定向晶粒生长过程微观组织演化及晶粒间竞争生长行为。结果表明,随着生长高度的增加,固液界面处温度梯度逐渐降低,一次枝晶间距增加。同时,γ′相尺寸随着生长高度的增加逐渐减小,且γ′相形貌由不规则的蝴蝶状向立方体状、近圆状转变。γ+γ′共晶组织和碳化物大多分布在枝晶间区域,且含量随着生长高度的增加逐渐增加。此外,由于定向凝固过程中晶粒的竞争生长,随着生长高度的增加柱状晶数量明显减少;在具有凸固液界面生长条件下晶粒表现为向近炉壁侧倾斜发散生长。     

钛/铜中间层/钢扩散焊复合管界面组织与性能

以铜箔为中间层,采用拉拔—内压扩散法制备钛/钢复合管.利用光学显微镜、扫描电子显微镜、X-光衍射仪和能谱仪对界面组织、断口形貌和成分进行分析,通过剪切试验测定界面的结合强度.结果表明,以铜箔作中间层,拉拔—内压扩散法实现了钛/钢的冶金结合;在钛/铜界面处发生了明显的原子扩散,并形成不同的扩散层;随着扩散温度和时间的增加扩散层的厚度逐渐增加;中间层的加入阻止了固相扩散中钛铁、钛碳脆性化合物生成;钛/钢界面的抗剪强度随着扩散温度的升高先增加后降低,铜层的加入使抗剪强度明显提高,最高可达310 MPa.     

枪体工作高度对等离子束表面合金化熔池成形的影响

以球墨铸铁表面的等离子束合金化过程为主要研究对象,熔池的宽度、深度、熔化效率和熔池形貌为成形特征参数,研究了等离子枪工作高度变化对熔池成形的影响。从热输入的角度研究了工作高度的变化对等离子束合金化熔池成形产生影响的机理。结果表明:随工作高度的增加,熔池的宽度、深度和熔化效率都先上升后下降,即这三种特征参数都存在一个最佳的工作高度值。随着工作高度上升到一定高度,熔池的表面逐渐变得粗糙,熔池轨迹边缘的清晰度和直线度也变差。工作高度的变化并不能对熔池成形造成直接影响,但其可以间接影响熔池的实际热输入功率和功率密度分布,进而导致熔池宽度、深度、熔化效率和表面形貌发生变化。     

高强韧铝合金半连铸铸锭温度场与应力场数值模拟

基于有限差分软件MAGMAsoft的Continuous casting模块,建立了准800 mm×2 000 mm高强韧铝合金半连铸圆锭热-力耦合的有限差分模型。分别对不同结晶器高度、引锭底盘形状,以及不同铸造速度下的温度场、应力场进行了模拟计算。综合分析了工艺条件的改变对铸锭温度场和应力场的影响规律。结果表明:结晶器高度为200 mm时,液穴深度和铸锭温度梯度较小,裂纹倾向减少;引锭盘形状为圆柱形凸底盘时,有利于降低裂纹倾向;提高铸造速度,使液穴变深,温度梯度增加,裂纹倾向增大。     

Cu-12%Al线材连续定向凝固最大稳态拉坯速度

将结晶器移出感应加热器,使连续定向凝固时固液界面控制在结晶器出口;结合传热边界条件,求解连续定向凝固熔体区、液/固界面、空冷区和水冷区的一维稳态温度场方程,得出线坯最大稳态拉坯速度随熔体温度、结晶器长度、冷却距离和冷却水流量的变化规律;并基于直径为6 mm的Cu-12%Al(质量分数)线材制备的工艺条件,对理论解进行实验验证和讨论.结果表明:Cu-12%Al线材的最大稳态拉坯速度随熔体温度升高而降低,且降低速率逐渐减小,其中在1 150～1 300 ℃范围内降低37.3%;最大稳态拉坯速度随结晶器长度增加而增加,且增加速率逐渐减小,其中在20～40 mm范围内增加28.5%;最大稳态拉坯速度随冷却距离增加而降低,且降低速率逐渐减小,其中在4～12 mm范围内降低68.8%;冷却水流量在100～400 L/h范围内最大稳态拉坯速度变化不明显.当固液界面前沿温度梯度小于2.02 ℃/mm时,实际拉坯速度无法达到理论最大稳态拉坯速度;当固液界面前沿温度梯度大于4.17 ℃/mm时,最大稳态拉坯速度实验值和理论值吻合较好.     

Cu-Ni交互作用对Cu/Sn/Ni焊点液固界面反应的影响

研究Cu/Sn/Ni焊点在250℃液固界面反应过程中Cu-Ni交互作用对界面反应的影响。结果表明:液固界面反应10 min后,Cu-Ni交互作用就已经发生,Sn/Cu及Sn/Ni界面金属间化合物(IMCs)由浸焊后的Cu6Sn5和Ni3Sn4均转变为(Cu,Ni)6Sn5,界面IMCs形貌也由扇贝状转变为短棒状。在随后的液固界面反应过程中,两界面IMCs均保持为(Cu,Ni)6Sn5类型,但随着反应的进行,界面IMC的形貌变得更加凸凹不平。Sn/Cu和Sn/Ni界面IMCs厚度均随液固界面反应时间的延长不断增加,界面IMCs生长指数分别为0.32和0.61。在液固界面反应初始阶段,Sn/Cu界面IMC的厚度大于Sn/Ni界面IMC的厚度;液固界面反应2 h后,由于Cu-Ni交互作用,Sn/Cu界面IMC的厚度要小于Sn/Ni界面IMC的厚度,并在液固界面反应6 h后分别达到15.78和23.44μm。     

基于Level-Set方法的小孔及熔池动态形成数值模拟

构建了激光深熔焊接三维混合态连续模型,模拟了固液界面过渡层的固、液态共存和熔池高于焊接表面的特征,并采用Level-Set方法追踪了气液界面的移动,计算得到了小孔和熔池的动态形成过程.结果表明,熔池在小孔前沿薄后沿厚,温度梯度在小孔前沿大后沿小,小孔及熔池前沿和后沿存在明显的非对称性;孔壁上蒸发的金属蒸气由孔壁流向小孔中轴线,且向孔外喷射;孔底吸收的激光功率密度最大,最高温度3700 K位于孔底,高于汽化温度567 K;小孔形成的初期阶段孔深的变化较快,但随着小孔深度的增加,孔深变化速率逐渐下降.     

EBCHR熔铸TA10钛合金非对称流动及凝固过程数值模拟

熔池中的流动是影响电子束冷床炉熔铸铸锭质量的一个非常重要因素。本工作通过建立三维非稳态模型研究电子束冷床炉熔铸钛扁锭过程中的流动及熔池形态变化，采用混合欧拉-拉格朗日算法模拟非稳态凝固过程。通过设置一系列的能量输入策略，分析了不同电子枪功率下的结晶器内的非对称流动特征、温度场及熔池形态变化。研究结果表明流动及传热共同导致了非对称熔池的形成。钛液从溢流口进入结晶器后，一部分向下流动侵蚀凝固坯壳，一部分由于不同温度下的密度差受到的浮力返回了液面。凝固坯壳被侵蚀后变薄影响对称性，返回液面的钛液改变了液面温度影响了能量吸收效率及液面温度分布。通过优化电子枪的能量输入策略，可以有效的改善熔池的对称性，避免因熔池不对称导致的熔铸缺陷的出现。     

超高强钢表面激光和等离子制备钕和镍基复合涂层界面的控形模拟研究

针对激光重熔等离子喷涂制备的耐磨防腐涂层与超高强钢基体结合界面的形貌控制问题,建立了激光重熔等离子喷涂制备的钕基和镍基复合涂层的数值模型,模型中考虑了材料不同温度下的热物理性能参数、不同温度下的相变潜热及激光热源等因素的综合影响。结果表明:随着激光功率的增加,涂层与基体结合界面的熔池形貌由扁平状逐渐过渡到月牙形与扁平形的复合形貌,这是由于等离子喷涂制备的涂层与基体的熔点及热物理性能参数等因素存在差异;随着激光扫描速度的增加,涂层与基体结合界面处的扁平形熔池和月牙形熔池的宽度降低,最大温度梯度增加;激光重熔过程中喷涂构件厚度方向的等值线疏密程度不同,呈现出"减小-增大-减小"的变化趋势。     

A3钢薄板激光对接焊工艺研究

针对A3钢薄板进行连续激光对接焊工艺实验,研究不同工艺参数对焊接成形质量的影响规律。结果表明:随着激光功率的增加,焊接接头熔池宽度、深度及抗拉强度逐渐增加;随着焊接速度的增加,接头熔池宽度、深度降低及抗拉强度逐渐降低;离焦量对接头形貌及拉伸性能影响较小;焊缝间隙小于等于50μm时,接头抗拉强度基本保持不变,可实现有效焊接。