铸造参数对2024铝合金半连铸过程中宏观偏析影响的数值模拟研究

本文采用考虑了浮游晶运动的拓展连续模型计算大尺寸2024铝合金半连铸铸锭的宏观偏析。模型中宏观的传质、传热、动量传输方程与Scheil-Gulliver微观凝固模型相互耦合。通过九个算列计算铸造参数（铸锭尺寸、铸造速度、浇注温度以及二冷区冷却强度）对宏观偏析的影响,并详细讨论了铸造参数对形成宏观偏析传输机制的影响。研究结果表明,铸造参数直接影响熔池的形状和尺寸进而影响最终偏析形态。其中,铸锭尺寸和铸造速度是最主要的影响因素。更大的铸锭尺寸通常意味着更慢的冷却速度,以及更深和更宽的熔池,从而导致铸锭中心更严重的宏观偏析。增加铸造速度则将显著地增加熔池的深度,因而更大的铸造速度将导致更严重的宏观偏析。而熔池的深度随浇注温度的增加仅轻微增加,故浇注温度对宏观偏析的影响不如前二者敏感。     

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。     

钛合金真空自耗电弧熔炼过程中温度场的数值模拟

采用ANSYS软件分析了真空自耗电弧熔炼(VAR)过程中温度场的分布规律,探讨了熔炼速率和冷却条件对VAR过程中熔池形貌的影响。结果表明,在一定熔炼速率下,VAR过程中温度场由初始阶段的动态过程逐渐演变为稳态过程;熔炼速率对VAR过程温度场影响显著,表现为随熔炼速度增大,VAR熔池变宽变深,达到稳态熔炼阶段的时间缩短;而冷却条件仅对VAR过程熔池达到稳态阶段的时间和铸锭高度略有影响。     

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。     

基于ProCAST研究冷却速率对新型铁基铸锭凝固过程的影响

基于Back Diffusion溶质扩散理论与CAFé模型,采用Pro CAST软件建立了?800 mm×600 mm的新型铁基铸锭铸造过程仿真模型,对选用砂型铸造过程的宏观的温度场,流场和微观组织耦合模拟;分析了凝固过程中铸件的温度场,流场和温度梯度的变化以及可能存在的缺陷;结果表明,离冷铁越近,温度梯度越大,随着冷却速度的增加,铸型充型时间减小,冷却速度为100 K/s时,充型时间为15.57 s,整个铸锭缩松缩孔的缺陷区域主要存在浇注系统以及冒口部分,且在3种冷却速度中冷却速度为10 K/s的铸锭缺陷区域面积最大,微观组织颗粒尺寸也随过冷度的增加而减小。     

TiAl合金真空自耗熔炼过程的数值模拟

通过数值模拟研究了直径为180mm的TiAl合金铸锭的真空自耗冶炼过程,获得了TiAl合金真空自耗熔炼过程中熔炼温度、熔炼速度和冷却能力对金属熔池温度梯度、熔池形状和糊状区宽度的影响规律。结果表明,随熔炼温度升高,熔池深度增加,其形状由碗状向V形转变,熔炼温度对熔池中温度梯度和凝固前沿糊状区宽度影响较小;随熔炼速度增加,熔池中温度梯度显著减小,糊状区宽度和熔池深度则明显降低;随冷却能力增加,糊状区宽度明显减小,熔池中温度梯度和熔池深度略有减小。     

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。     

40Cr钢平板表面激光堆焊三维温度场数值模拟

基于ANSYS数值模拟平台,建立了三维瞬态激光堆焊40Cr钢温度场有限元模型,利用APDL参数设计语言实现热源的移动,对40Cr钢表面激光相变硬化处理过程的温度场进行模拟,得出熔池温度随时间的变化规律,并对比了不同功率和不同扫描速度对温度场的影响。结果表明:随热源的移动,温度场呈现彗星状云图,且激光光斑前缘温度梯度大,后部温度梯度小;不同功率对比结果表明,在相同的激光扫描速度6 mm/s时,表面温度最大值随激光功率增大而升高,在900 W时达到4238℃;不同速度对比结果表明,在相同功率800 W时,表面温度最大值随激光速度增大而减小,在6 mm/s时达到3738℃。     

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。     

TC4表面激光熔覆Ni60基涂层温度场热循环特性数值模拟研究

目的确定TC4钛合金激光熔覆的最优工艺参数,研究其热循环特性,分析激光熔覆温度对组织的影响规律。方法采用3D高斯热源,基于Sysweld软件平台,对TC4钛合金激光熔覆Ni60A-50%Cr3C2粉末过程进行数值模拟仿真,研究温度场云图及其热循环特性,模拟计算激光熔覆最高温度、加热速度和冷却速度,以及熔池最大深度和热影响区宽度,进行激光熔覆实验验证,结合熔覆层显微组织扫描电镜(SEM)图像,研究冷却速度对熔覆层组织的影响。结果由仿真可知,激光熔覆工艺参数中的光斑直径和送粉速度主要影响熔覆层的高度和宽度,对温度场分布起主要影响作用的是激光功率和扫描速度。激光功率为500 W,扫描速度为4 mm/s时,熔覆层区域熔化完全,与基体结合良好。激光熔覆最高温度为2700℃,最大加热速度约为2200℃/s,最大冷却速度约为1200℃/s,熔池最大深度在0.33~0.66 mm之间,热影响区宽度约为1.2 mm。模拟与实验得到的熔覆层截面形貌基本一致。不同冷却速度得到的熔覆层组织不同,随着冷却速度的降低,显微组织由短小的胞晶和树枝晶逐步转变为柱状晶、胞状晶和平面晶,最终形成淬火态的针状马氏体。结论最佳工艺参数为:激光功率500 W,扫描速度4 mm/s。冷却速度是影响熔覆层组织的重要因素,仿真模型的正确性及方法的可行性得到了实验验证。     

Numerical Simulation of Macrosegregation in Water-Cooled Heavy Flat Ingot During Solidification

Based on a volume-averaged two-phase approach, a coupled concentration, temperature, and velocity fields model has been established to predict the formation of macrosegregation during solidification. Because of the significant influence of velocity field on solute transfer and distribution during solidification process, the density of liquid steel was set as a function of temperature and concentration to accurately calculate the velocity field. Therefore, the influence of gravity, temperature gradient, concentration gradient, and volume shrinkage on velocity field distribution was comprehensively considered. The calculation result showed good agreement with previous reports. Thereafter, the current model was applied to simulate the solidification of 12Cr2Mo1R (ASTM standard 2.25Cr1Mo) heavy ingot, and the influence of surface cooling intensity on the final carbon macrosegregation was investigated. The results showed that with the increase of cooling intensity, the solidification time, flow velocity, and mushy zone width decrease, and as a result, macrosegregation is alleviated. When the heat-transfer coefficient is less than 1000 W m^?2 K^?1, macrosegregation dramatically decreases with the rise of cooling intensity. In contrast, when heat-transfer coefficient is greater than 1000 W m^?2 K^?1, the effect of reducing the central carbon segregation by increasing cooling is weakened.     

Structures and macrosegregation of a 2024 aluminum alloy fabricated by direct chill casting with double cooling field

Central region coarse grains and centerline segregation are common defects in aluminum ingots fabricated by direct chill(DC)casting.A double cooling field was introduced into the DC casting process to reduce these defects,whereby the external cooling was supplied by the mold and water jets,and intercooling was achieved by inserting a rod of the same alloy into the molten pool along the central axis of the ingot.Rather than forming a good metallurgical interface during solid-liquid compound casting,in the present work,the purpose of inserting the rod is to enforce internal cooling and consequently decrease the sump depth.Moreover,the insertion provides more nucleation sites with the unmoltenα-Al particles.The structure and the macrosegregation of 2024 Al alloy ingots prepared by DC casting with and without the inserts were investigated.Results show that when the inserting position is 50 mm above the upper edge of the graphite ring,significant grain refinement in the central region of the ingot and a reduced centerline segregation are achieved.     

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。     

电子束定点焊接304不锈钢熔池流动行为数值模拟

基于电子束焊接过程的传热与受力物理过程分析,建立相应模型,对电子束定点焊接304不锈钢的温度场与流场进行数值模拟,研究电子束焊接熔池流动行为及焊缝成形规律.结果表明,电子束加热阶段,熔池上表面温度梯度达到106 K/m,熔池表面峰值温度高,在沸点温度附近波动,强烈的金属蒸汽反作用力成为熔池流动的主要作用力,促使熔池中心下凹并不断波动,熔池冷却凝固阶段,金属蒸汽反作用力下降,熔池金属表面张力梯度引起的Marangoni对流成为熔池金属流动主要驱动力,促使焊缝表面熔宽增大,熔池凝固后焊缝上表面宽度为1.9 mm,中心处宽度为1.6 mm,下表面宽度为1.8 mm.     

Technical parameters in electromagnetic continuous casting of aluminum alloy

1　INTRODUCTIONElectromagneticcasting (EMC)isanadvancedmaterialprocessingtechniqueinventedbyGetselev[1]andhasbeenwidelyusedintheworldbecauseitsproductshavetheadvantagesofsmoothsurface ,ho mogeneousmicrostructureandgoodworkability[2 ,3] .ElectromagneticcontinuouscastingofsteelisanewtypemethodbroughtforwardbyVives[4 6 ] thatcom binedtheelectromagneticfieldwithcontinuouscast ingtechnique .Itisalsoanewideatoapplythismethodintotheshapingprocessofaluminumalloytoimprovethesurfaceandinnerquality…     

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.     

冷却条件对TC6合金温度场和Cr偏析的影响

采用多场耦合重熔工艺仿真软件MeltFlow-VAR建立的数值模型，研究了工业化大规格TC6合金在不同冷却条件下的温度场和Cr元素偏析行为，并通过制备Ф640mm规格TC6合金铸锭进行验证。模拟结果表明：增大铸锭和坩埚间的换热后，铸锭熔池和糊状区深度变浅，整体呈现自下而上的顺序凝固，Cr元素偏析范围及整锭极差减小。结合实验验证表明：采用壁厚减薄的异形坩埚加强冷却后，凝固组织转变为全柱状晶，有利于减轻偏析，得到成分均匀性较高的铸锭。     

氮电弧制备陶瓷表面层中TiN相形态及生长机制

利用氮电弧熔化纯钛基体表面,原位制备氮化钛（TiN）陶瓷表面层,研究陶瓷表面层的形成机理、TiN相的生长形态及其生长机制．结果表明,氮电弧熔化过程为非平衡快速冷却凝固过程,冷却速度可达10^2～10^3 K／s,表面层中TiN相的微观生长方式具有多样性．在熔池中过冷度较小的位置,TiN晶体为螺型位错侧面长大方式,而熔池...