冷坩埚连续熔化与定向凝固Ti50Al合金的温度场计算(英文)

为了优化工艺参数和实现定向凝固,计算不同参数条件下的冷坩埚连续熔化与定向凝固Ti50Al(摩尔分数,%)合金的温度场。模型中的连续铸造通过识别运动单元的不同位置而实现。结果表明,在功率为52kW和抽拉速度为3.0mm/min时,送料棒在200s时可以完全熔化,在300s时具有一定的过热度。当功率为52kW时,随着抽拉速度从1.2mm/min加快到6.0mm/min,送料棒的过热度和熔区都减小,并且固-液界面变凹,其中在6.0mm/min时,送料棒不能被完全熔化。当抽拉速度为3.0mm/min时,随着功率从48kW增加到58kW,固-液界面位置变低且变凹,当功率为48kW时,送料棒不能被完全熔化。当抽拉速度和功率配合恰当时,可以实现冷坩埚连续熔化与定向凝固TiAl合金。     

坩埚形状对多晶硅定向凝固热流场的影响

采用Comsol Multiphysics模拟软件研究了三种不同形状的坩埚(圆形、底部凹形及倒锥形)对多晶硅定向凝固过程中热场及流场的影响。结果显示:圆形和底部凹形坩埚内熔体的热场差异不大,而与这两种坩埚相比,倒锥形的坩埚可以得到更加均匀的热场分布及平直的固液界面;三种坩埚内熔体底部及侧壁区域的热对流变化基本相同,但熔体中心区域不同;圆形及底部凹形坩埚内中心区域的热对流较弱,而倒锥形坩埚内熔体中心区域的热对流较强,这在一定程度上有利于熔体内杂质的排出。     

抽拉速率和过热温度对Zn-5%Al合金定向凝固界面的影响

采用Zn-5%Al合金,对不同抽拉速率和过热条件下的定向凝固界面进行研究。结果表明,当合金熔体的过热温度为450℃时,随着抽拉速率从1.1μm/s增加到11.1μm/s,液固界面呈现平面—细胞—胞枝变化,与一般的界面形态演化相符;当熔体的过热温度为610℃时,在相同的抽拉速率条件下,液固界面呈现平胞—平面—枝晶变化,不同于一般的界面形态演化。采用界面稳定性动力学理论分析了抽拉速率和过热温度对液固界面的影响,得出定向凝固界面稳定性变化,存在着若干个由抽拉速率和过热互相制约决定的分界点。     

Nb-Ti-Si基超高温合金的有坩埚整体定向凝固组织分析

在2000 ℃的熔体温度下,实现了Nb-Ti-Si基超高温合金的有坩埚整体定向凝固,并分析了合金定向凝固组织特征.结果表明,合金定向凝固组织分布均匀,定向生长效果显著,主要由耦合生长的层片状((Nb,Ti)ss (Nb,X)5Si3;X=Ti,Hf)共晶团及少量横截面为六边形的(Nb,X)5Si3棒组成.与电子束区熔定向凝固及水冷铜坩埚内的Czochralski法定向凝固比较,有坩埚整体定向凝固时的轴向温度梯度更高,并且避免了区熔定向凝固时存在的固/液界面前沿熔体中的对流和集肤效应,因而合金的定向生长效果更加明显.     

凝固速率对Nb-Ti-Si基合金整体定向凝固组织及固/液界面形态的影响

在2050℃的熔体温度下,在自行研制的定向凝固炉内实现了Nb-Ti-Si-Cr-Hf-Al-B-Y超高温合金的有坩埚整体定向凝固.采用XRD,SEM,EDS等方法分析了凝固速率分别为2.5,5,10,20,50和100μm/s时的整体定向凝固组织、组成相的择优取向及固/液界面形貌,并讨论了其共晶生长机制.结果表明:合金的定向凝固组织主要由沿着试棒轴向排列的横截面为多边形的柱状初生(Nb,X)_5Si_3(X=Ti,Hf,Cr)相与耦合生长的层片状Nbss/(Nb,X)_5Si_3共晶团(Nbss表示铌基固溶体)组成.横截面上共晶胞界明显.当凝固速率由2.5μm/s变化到100μm/s时,定向凝固组织细化,固/液界面经历粗胞状→细胞状→胞枝的演化过程.Nbss/(Nb,X)_5Si_3共晶两相较低的熔化熵及其前沿较大的动力学过冷度是形成规则共晶的主要原因.     

电子束选区熔化增材制造熔池演化多尺度模拟

电子束选区熔化增材制造是金属增材制造领域的重要发展方向。为了理解和控制电子束扫描过程中熔池流场与温度场演化规律,并进一步探明和预测凝固成形件的微观组织形成过程,提高零件的冶金质量和力学性能,本文采用基于格子玻尔兹曼方法及有限体积法混合格式的三维传热传质模型,对熔池的形貌尺寸、温度场、流场及相场演化进行模拟。结果表明,当电子束扫描速度从800 mm/s增加到1600 mm/s时,冷却速度从0.19 K/μs增加到0.45 K/μs,温度梯度从0.99 K/μm增加到3.72 K/μm。进一步采用基于格子玻尔兹曼方法的微观枝晶生长模型探究微观组织形成机制,研究发现,固液界面处出现沿温度梯度方向生长的柱状晶,且电子束扫描速度越大,柱状晶生长越快,熔体流动可在一定程度上促进柱状晶的生长。     

YBCO的生长取向及定向凝固机制研究

利用定向凝固技术制备了取向良好的YBCO棒材,其a-b晶面与提拉方向的夹角小于5°.为研究YBCO生长的各向异性及其定向凝固机制,分别通过空淬及炉冷的方式获取了熔体生长的YBCO晶粒形貌及固液界面形貌.YBCO晶粒呈现片层状结构,其长厚比约为2～5.晶体生长的固液界面清晰反映出了外延生长的特征.基于上述结果,讨论了YBCO的定向凝固机制,认为YBCO的定向凝固是由择优生长及外延生长两阶段构成,这很好地解释了本文的试验结果.     

Zn-5%Al合金定向凝固液固界面形态分析

对Zn-5%Al合金在不同液淬下拉速率和过热状态下的定向凝固液固界面形态进行了研究。结果表明,当合金熔体的过热温度分别为较低和较高时,随着液淬下拉速率的增加,定向凝固界面形态变化与一般的界面形态演化相比各自表现为相符和相异;定向凝固界面稳定性变化存在着若干个由液淬下拉速率和过热状态互相制约决定的分界点。     

熔体过热历史对Ni基高温合金定向凝固界面形态的影响

在控制温度梯度、抽拉速率等工艺参数相同的条件下,首次发现熔体过热历史对Ni基高温合金定向凝固界面形态具有显著影响．随着熔体过热温度的提高和过热时间的延长,液固界面稳定性降低;相反,随着低温静置时间的延长,液固界面稳定性提高．熔体热历史对定向凝固液固界面形态影响的根本原因在于对熔体结构状态的改变,进而影响凝固过程.     

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。     

Flow field and its effect on microstructure in cold crucible directional solidification of Nb containing TiAl alloy

A 3D finite element model was established to investigate the flow field in TiAl melt under different process parameters that include the position of the solidification interface, the meniscus height, the heating power and the current frequency. A square cold crucible with an inner cross section of 36 mm × 36 mm was employed to directionally solidify Ti–46Al–6Nb–B (at.%) ingots. The flow pattern in the melt is highly parameter-related. Generally, there are two flow swirls with opposite directions in the melt. The flow near the solidification interface can be minimized with an optimal meniscus height. The flow velocity is decreased with a decrease of heating power and an increase of current frequency. A weaker lateral flow near the solidification interface is beneficial for the continuous growth of columnar grains. The microsegregation of a directionally-solidified ingot can be reduced by controlling the flow in the melt, which is one of the advantages of cold crucible directional solidification.     

冷坩埚连续熔铸与定向凝固Ti6A14V合金的温度场计算

为有效利用冷坩埚，更优控制工艺参数，获得冶金质量良好的铸棒，本文对冷坩埚连续熔铸与定向凝固Ti6A14V温度场进行计算。根据电磁场的感应加热形成上下料棒、电磁压力形成驼峰的情况确定边界条件；采用抛物线逼近确定驼峰形状；对运动单元所处位置的识别实现连铸过程。对功率52kW、速度为3mm／min的条件下进行计算。结果表明，料棒在45s时开始熔化，在70s时形成驼峰，然后熔体获得一定的过热度，形成凝壳，在115s熔体达到最高温度；抽拉过程中上送料能完全熔化，温度场基本稳定，凝固界面的形状和位置基本不变，凝固界面的形状为中间平直、两端上翘，传热基本以轴向传热为主。相同条件下进行实验，实验结果与计算结果相符合，从而证明计算程序在计算冷坩埚连续熔铸与定向凝固温度场是有效的。     

THE ELECTROMAGNETIC FIELD CALCULATION AND ANALYSIS OF LEVITATION MELTING WITH COLD CRUCIBLE

1.IntroductionLevitationmeltingwithcoldcrucibleisaneffectivemethodforProcessingmaterialswithhighmeltingpoint,highpurity,veryactiyityand/orradioactivity[1,2].Inthisprocess,chargecanbeheated,meltedandstirredinductivelybyhighfrequencyEMF,andpreventedfrompollution.Thestructureofcoldcruciblemadebypurecopperisoftheabilityofcollectingandpenetratingthemagneticenergy.Itcanmaketheelectromagneticenergybegatheredtogetherinthechargetoformstrongermagneticlevitationcapacity.Thetechnologicalessentialsoflevi…     

钛合金冷坩埚连续熔铸过程定向凝固

水冷铜坩埚存在很强的侧向散热,而定向凝固则必须保证单向热流,分别从电磁力、温度场及传热3方面来分析冷坩埚定向凝固的可行性.结果表明:在三相点焦耳热最大,感应焦耳热弥补了侧向散热,保证在下驼峰与坩埚接触点Z0附近区域等温线近乎平直,能够利用冷坩埚实现钛合金的定向生长.增大电磁压力,提高熔体过热度,可以减小坩埚壁的侧向散热,有利于冷坩埚实现定向凝固.     

工艺参数对冷坩埚定向凝固钛合金宏观组织的影响

用电磁冷坩埚进行定向凝固可以将电磁冷坩埚和定向凝固技术的优点相结合，为难熔、活泼金属的定向凝固开辟新的方法，但工艺过程复杂，影响因素众多，为了解冷坩埚定向凝固过程和宏观组织演变规律，本实验通过正交实验得到了工艺参数对宏观组织的影响规律，研究发现抽拉速度是影响宏观组织最主要的因素，其他因素影响不显著，随抽拉速度降低，晶粒数量明显减少，当抽拉速度为1mm／min时，能获得定向凝固组织。理论分析表明，工艺参数通过影响驼峰和凝固界面的位置和形状，以及吸收和导出的热量而影响宏观组织。     

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。     

Effect of power parameter and induction coil on magnetic field in cold crucible during continuous melting and directional solidification

Bottomless electromagnetic cold crucible is a new apparatus for continuous melting and directional solidification;however,improving its power efficiency and optimizing the configuration are important for experiment and production.In this study,a 3-D finite element (FE) method based on experimental verification was applied to calculate the magnetic flux density (Bz).The effects of the power parameters and the induction coil on the magnetic field distribution in the cold crucible were investigated.The results show that higher current intensity and lower frequency are beneficial to the increase of Bz at both the segment midpoint and the slit location.The induction coil with racetrack section can induce greater Bz,and a larger gap between the induction coil and the shield ring increases Bz.The mechanism for this effect is also discussed.     

ELECTROMAGNETIC CHARACTERISTICS OF LEVITATION MELTING WITH COLD CRUCIBLE

１ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＢｅｉｎｇｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｍｅｔａｌｕｒｇｙａｎｄｎｅｗｍａｔｅｒｉａｌｓｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ,ｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｌｅｖｉｔａｔｉｏｎｍｅｌｔｉｎｇｗｉｔｈｃｏｌｄｃｒｕｃｉｂｌｅｉｓａｖａｌｉｄ...     

TiAl基合金冷坩埚定向凝固研究现状与发展趋势

冷坩埚定向凝固技术基于材料电磁加工原理,将合金连续熔化、电磁约束成形和连续凝固过程统一,避免模壳法定向凝固造成的合金熔体污染,是TiAl等高活性合金高纯净定向凝固的重要方法之一。报告了TiAl基合金冷坩埚定向凝固技术的研究结果,建立了电磁场、温度场与电磁冷坩埚系统主要参数之间的规律性关系。通过改变冷坩埚的横截面形状,初步制备出具有定向凝固组织的TiAl基合金圆、方和扁锭,研究结果表明该方法不但适合于Ti—Al二元合金,而且施与多元多相TiAl基合金也是可行的。通过对成分和组织的控制,所研究的TiAl基合金定向凝固试样的室温拉伸塑性最高达到1．5％左右。最后指出将该方法应用于耐高温的轻质高Nh含量的γ-TiAlNb合金的定向凝固是未来的发展趋势。